Общий термин шлак может быть побочным продуктом или сопутствующим продуктом плавки ( пирометаллургической ) руды и переработанных металлов в зависимости от типа производимого материала. [1] Шлак в основном представляет собой смесь оксидов металлов и диоксида кремния . В широком смысле его можно классифицировать как черный (побочные продукты переработки железа и стали), ферросплавный (побочный продукт производства ферросплавов) или цветных металлов (побочные продукты восстановления цветных металлов, таких как медь , никель , цинк и фосфор ). [2] В рамках этих общих категорий шлаки можно дополнительно классифицировать по их предшественникам и условиям обработки (например, доменные шлаки, шлак доменной печи с воздушным охлаждением, гранулированный доменный шлак, шлак кислородно-конвертерной печи и шлак электродуговой печи ). Шлак, образующийся в процессе EAF, может содержать токсичные металлы, которые могут быть опасны для здоровья человека и окружающей среды. [3]
Из-за большого спроса на черные, ферросплавные и цветные металлы, производство шлака увеличилось на протяжении многих лет, несмотря на переработку (особенно в черной металлургии и сталелитейной промышленности) и усилия по апсайклингу . Всемирная ассоциация производителей стали (WSA) оценивает, что 600 кг сопутствующих материалов (побочных продуктов и побочных продуктов) (около 90 % по весу составляют шлаки) образуются на тонну произведенной стали. [5]
Шлак обычно представляет собой смесь оксидов металлов и диоксида кремния . Однако шлаки могут содержать сульфиды металлов и элементарные металлы. Важно отметить, что форма оксида может присутствовать или отсутствовать после того, как расплавленный шлак затвердевает и образует аморфные и кристаллические компоненты.
Основными компонентами этих шлаков являются оксиды кальция , магния , кремния , железа и алюминия, а также меньшее количество марганца , фосфора и других в зависимости от специфики используемого сырья. Кроме того, шлак можно классифицировать на основе содержания железа среди других основных компонентов. [1]
В природе железо, медь, свинец, никель и другие металлы встречаются в нечистых состояниях, называемых рудами , часто окисленными и смешанными с силикатами других металлов. Во время плавки, когда руда подвергается воздействию высоких температур, эти примеси отделяются от расплавленного металла и могут быть удалены. Шлак — это совокупность соединений, которые удаляются. Во многих процессах плавки оксиды вводятся для контроля химии шлака, помогая удалять примеси и защищая огнеупорную футеровку печи от чрезмерного износа. В этом случае шлак называется синтетическим . Хорошим примером является сталеплавильный шлак: негашеная известь (CaO) и магнезит (MgCO 3 ) вводятся для защиты огнеупоров, нейтрализуя глинозем и кремний, отделенные от металла, и помогая удалять серу и фосфор из стали. [ необходима цитата ]
Как побочный продукт сталеплавильного производства , шлак обычно производится либо по маршруту доменная печь – кислородный конвертер , либо по маршруту электродуговая печь – ковшовая печь. [6] Для флюсования кремнезема, полученного в процессе сталеплавильного производства, добавляют известняк и/или доломит , а также другие типы шлаковых кондиционеров, такие как алюминат кальция или плавиковый шпат .
Существует три типа шлаков: шлаки черных металлов , ферросплавов и цветных металлов , которые производятся различными способами плавки.
Железные шлаки производятся на разных стадиях процессов производства чугуна и стали, что приводит к различным физико-химическим свойствам. Кроме того, скорость охлаждения шлакового материала влияет на степень его кристалличности, что еще больше диверсифицирует его спектр свойств. Например, медленно охлажденные доменные шлаки (или шлаки с воздушным охлаждением) имеют тенденцию иметь больше кристаллических фаз, чем закаленные доменные шлаки ( измельченные доменные шлаки ), что делает их более плотными и лучше подходящими в качестве заполнителя. Они также могут иметь более высокое содержание свободного оксида кальция и оксида магния, которые часто преобразуются в их гидратированные формы, если нежелательно чрезмерное расширение объема. С другой стороны, закаленные водой доменные шлаки имеют больше аморфных фаз, что придает им скрытые гидравлические свойства (как открыл Эмиль Ланген в 1862 году), подобные портландцементу . [7]
В процессе выплавки чугуна образуется железистый шлак, но в нем преобладают кальциевые и кремниевые соединения. В ходе этого процесса железистый шлак можно разделить на доменный шлак (полученный из оксидов железа расплавленного чугуна), а затем на стальной шлак (образуется при смешивании стального лома и расплавленного чугуна). Основные фазы железистого шлака содержат богатые кальцием силикаты группы оливина и группы мелилита .
Шлак из сталелитейных заводов при выплавке черных металлов предназначен для минимизации потерь железа, что приводит к образованию значительного количества железа, за которым следуют оксиды кальция , кремния , магния и алюминия. По мере охлаждения шлака водой в нем происходит несколько химических реакций при температуре около 2600 °F (1430 °C) (например, окисление ). [1]
На основании исследования в Национальном историческом месте Хоупвелл в округах Беркс и Честер , штат Пенсильвания , США, железный шлак обычно содержит более низкую концентрацию различных типов микроэлементов , чем цветной шлак. Однако некоторые из них, такие как мышьяк (As), железо и марганец , могут накапливаться в грунтовых и поверхностных водах до уровней, которые могут превышать экологические нормы. [1]
Цветной шлак производится из цветных металлов природных руд. Цветной шлак можно охарактеризовать как медный, свинцовый и цинковый шлак из-за состава руды, и они имеют больший потенциал для негативного воздействия на окружающую среду, чем железный шлак. Например, плавка меди, свинца и бокситов в цветной металлургии предназначена для удаления железа и кремния, которые часто встречаются в этих рудах, и разделяет их как шлаки на основе силиката железа. [1]
Медный шлак, отходы плавки медных руд, был изучен на заброшенной шахте Пенн в Калифорнии, США. В течение шести-восьми месяцев в году этот регион затапливается и становится резервуаром для питьевой воды и орошения . Образцы, собранные из резервуара, показали более высокую концентрацию кадмия (Cd) и свинца (Pb), которая превысила нормативные требования. [1]
Шлаки могут служить и другим целям, например, помогать в контроле температуры плавки и минимизировать повторное окисление конечного жидкого металлического продукта перед тем, как расплавленный металл будет извлечен из печи и использован для получения твердого металла. В некоторых процессах плавки, таких как плавка ильменита для получения диоксида титана , шлак может быть ценным продуктом. [8]
В бронзовом веке в Средиземноморье использовалось огромное количество различных металлургических процессов. Побочным продуктом шлака таких работ был красочный, стекловидный материал, обнаруженный на поверхности шлака из древних медеплавильных цехов. Он был в основном синего или зеленого цвета и раньше его откалывали и расплавляли для изготовления стеклянной посуды и ювелирных изделий. Его также измельчали в порошок, чтобы добавлять в глазури для использования в керамике. Некоторые из самых ранних таких применений побочных продуктов шлака были обнаружены в Древнем Египте . [9]
Исторически переплавка шлака железной руды была обычной практикой, поскольку усовершенствованные методы плавки позволяли получать больше железа — в некоторых случаях даже больше, чем было изначально достигнуто. В начале 20 века шлак железной руды также измельчали в порошок и использовали для изготовления агатового стекла , также известного как шлаковое стекло.
Использование шлаков в строительной отрасли восходит к 1800-м годам, когда доменные шлаки использовались для строительства дорог и железнодорожного балласта. В то время он также использовался в качестве заполнителя и начал интегрироваться в цементную промышленность в качестве геополимера . [10]
Сегодня измельченные гранулированные доменные шлаки используются в сочетании с портландцементом для создания « шлакового цемента ». Гранулированные доменные шлаки реагируют с портландитом ( Ca(OH) 2 ), который образуется при гидратации цемента, посредством пуццолановой реакции , чтобы создать цементирующие свойства, которые в первую очередь способствуют последующему увеличению прочности бетона. Это приводит к бетону с пониженной проницаемостью и лучшей долговечностью. Требуется тщательное рассмотрение типа используемого шлака, так как высокое содержание оксида кальция и оксида магния может привести к чрезмерному объемному расширению и растрескиванию в бетоне. [11]
Эти гидравлические свойства также использовались для стабилизации грунта при строительстве дорог и железных дорог . [12]
Гранулированный доменный шлак используется в производстве высокопрочных бетонов, особенно тех, которые применяются при строительстве мостов и прибрежных сооружений, где его низкая проницаемость и большая устойчивость к хлоридам и сульфатам могут помочь снизить коррозионное воздействие и разрушение конструкции. [13] [ источник, созданный пользователем? ]
Шлак также может быть использован для создания волокон, используемых в качестве изоляционного материала, называемого шлаковой ватой .
Шлак также используется в качестве заполнителя в асфальтобетоне для мощения дорог . Исследование, проведенное в Финляндии в 2022 году, показало, что дорожные покрытия, содержащие феррохромный шлак, выделяют высокоабразивную пыль, которая приводит к значительно более быстрому износу деталей автомобиля, чем обычно. [14]
Растворение шлаков создает щелочность, которую можно использовать для осаждения металлов, сульфатов и избыточных питательных веществ (азота и фосфора) при очистке сточных вод. Аналогичным образом, железные шлаки использовались в качестве почвенных кондиционеров для восстановления баланса pH почвы и удобрений в качестве источников кальция и магния. [15]
Из-за медленно высвобождающегося содержания фосфата в фосфорсодержащем шлаке и из-за его известкового эффекта он ценится как удобрение в садах и на фермах в сталелитейных районах. Однако наиболее важным применением является строительство. [16]
Шлаки имеют один из самых высоких потенциалов карбонизации среди промышленных щелочных отходов из-за высокого содержания оксида кальция и оксида магния, что вдохновляет на дальнейшие исследования для проверки их применимости в методах улавливания и хранения CO2 ( CCS ) (например, прямая водная секвестрация, сухая газо-твердая карбонизация и т. д.). [17] [18] С помощью этих методов CCS шлаки могут быть преобразованы в осажденные карбонаты кальция для использования в пластмассовой и бетонной промышленности, а также выщелачиваться для получения металлов для использования в электронной промышленности. [19]
Однако высокая физическая и химическая изменчивость различных типов шлаков приводит к несоответствиям в производительности и выходе. [20] Более того, расчет потенциала карбонизации на основе стехиометрии может привести к переоценке, что может еще больше запутать истинный потенциал материала. [21] С этой целью некоторые предложили провести серию экспериментов по проверке реакционной способности конкретного шлакового материала (т. е. растворения ) или использовать топологическую теорию ограничений (ТТО) для учета его сложной химической сети. [22]
Шлаки транспортируются вместе со шлаковыми хвостами на «шлаковые отвалы», где они подвергаются выветриванию, с возможностью выщелачивания токсичных элементов и гиперщелочных стоков в почву и воду, подвергая опасности местные экологические сообщества. Проблемы выщелачивания обычно возникают вокруг шлаков цветных или основных металлов, которые, как правило, имеют более высокие концентрации токсичных элементов. Однако шлаки черных металлов и ферросплавов также могут их содержать, что вызывает опасения относительно сильно выветренных шлаковых отвалов и переработанных материалов. [23] [24]
Растворение шлаков может привести к образованию сильнощелочных грунтовых вод со значениями pH выше 12. [25] Силикаты кальция (CaSiO 4 ) в шлаках реагируют с водой, образуя ионы гидроксида кальция , что приводит к более высокой концентрации гидроксида (OH-) в грунтовых водах . Эта щелочность способствует минерализации растворенного CO 2 (из атмосферы) с образованием кальцита (CaCO 3 ), который может накапливаться толщиной до 20 см. Это также может привести к растворению других металлов в шлаке, таких как железо (Fe), марганец (Mn), никель (Ni) и молибден (Mo), которые становятся нерастворимыми в воде и подвижными в виде твердых частиц . Наиболее эффективным методом детоксикации щелочных сбросов грунтовых вод является барботирование воздухом . [25]
Мелкие шлаки и шлаковая пыль, образующиеся при измельчении шлаков, которые подлежат переработке в процессе плавки или переработке в другой отрасли (например, строительстве), могут переноситься ветром, влияя на более крупную экосистему. Они могут попадать в организм через рот и вдыхаться, представляя прямой риск для здоровья населения вблизи заводов , шахт, свалок и т. д. [23] [24]
{{cite book}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на май 2024 г. ( ссылка ){{citation}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на май 2024 г. ( ссылка ){{citation}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на май 2024 г. ( ссылка ){{citation}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на май 2024 г. ( ссылка )