Доменные шлаки (свойства, состав, применение)

Доменные шлаки

ДОМЕННЫЕ ШЛАКИ, искусственные каменистые массы, получающиеся в качестве отхода при доменном процессе от сплавления содержащейся в руде пустой породы с флюсами шихты (известняки, доломиты, глинистые сланцы, песок, иногда фосфориты и т. д. - смотря по характеру доменного процесса) и золой применяемого горючего (кокс, древесный уголь).

Общие свойства

Доменные шлаки представляют собой сплавы (твердые растворы) силикатов, алюминатов, сульфидов и некоторых солей, особенно фосфатов, различных оснований, гл. обр. кальция, магния, железа, марганца. Получаясь в восстановительном пламени, доменные шлаки содержат свободные закиси кальция, железа и марганца, растворенные, по Джексу (Jex), в смеси анортита (известковый полевой шпат) СаО·Аl2O3·2SiO2 и волластонита CaO·SiO2. При правильно ведущемся доменном процессе цвет шлаков - светлый («спелые шлаки»): светло-серый, белый, желтоватый, зеленоватый, синеватый и т. д., а при сыром ходе доменной печи - черный, от большого содержания железа. Текстура шлаков тоже изменчива и бывает стекловидной, камневидной и фарфоровидной, в зависимости от состава и быстроты затвердевания доменных шлаков.

Теплота плавления 360—450 Cal, удельный вес доменных шлаков около 2,8, объемный вес и теплопроводность приведены в табл. 1.

Объемный вес и теплопроводность доменных шлаков

Состав доменных шлаков весьма изменчив; предельные количества составляющих доменных шлаков, получающихся при выплавке некоторых сортов чугуна, представлены в табл. 2.

Состав доменных шлаков

В зависимости от преобладания в составе оснований, фосфорной и кремневой кислот, доменные шлаки бывают основными, фосфатными или силикатными. Наиболее часто доменный процесс дает именно силикатные шлаки. 

По числу, выражающему отношение содержания кислорода в кремнекислоте (SiО2) к содержанию кислорода в основаниях RO (где R - двухвалентный элемент), согласно валовому анализу силикатных шлаков, они разделяются на виды, сопоставленные в табл. 3.

Степени окремнения доменных шлаков

Только две из этих степеней окремнения соответствуют действительным химическим соединениям: моносиликаты - ортосиликатам (например, Ca2SiО4) и бисиликаты - метасиликатам (например, CaSiО3). Схематическое деление табл. 2 особенно хорошо отвечает продуктам металлургии цветных металлов, где содержание Аl2O3 в шлаках бывает незначительно. При плавке на коксе доменные шлаки близки к моносиликатам (35—48% СаО, 30—38% SiО2, 6—18% Аl2O3, кроме того MgO, MnO, FeO, CaS); при плавке на древесном угле получаются по преимуществу бисиликаты. Богатые SiО2 и Аl2O3 шлаки близки к стеклам и при быстром застывании получают стекловидную текстуру; они не имеют определенной точки плавления и при нагревании сперва проходят через состояние размягчения и затем тягучести. Наиболее вязки шлаки, содержащие ТiO2; напротив, основные шлаки (богатые СаО и MgO), несмотря на более высокую температуру плавления, при нагреве обнаруживают меньшую вязкость; при отвердевании, особенно если охлаждение идет медленно, они выкристаллизовываются и приобретают текстуру каменистую; быстрое охлаждение делает шлаки очень хрупкими, подобными портландским цементам.

Несмотря на сложность состава, доменные шлаки во многих случаях могут рассматриваться как системы из трех компонентов - СаО, SiO2 и Аl2O3, поскольку FeO при хорошем ходе процесса по незначительности содержания не имеет значения; содержание окислов других металлов невелико; щелочноземельные окислы, особенно MgO, м. б. пересчитаны на СаО. В отношении доменных шлаков важно знать температуру перехода их из одного состояния в другое. Эта задача сводится к изучению смесей трех главных окислов и распадается на изучение трех двойных систем; диаграммы их представлены на фиг. 1 - по Шеперду и Ренкину (Аl2O3—SiO2), фиг. 2 - по Шеперду, Ренкину и А. Л. Дену (СаО—SiO2) и фиг. 3 (СаО—Аl2O3).

Диаграмма доменного шлака

Первая система дает одно химическое соединение (силлиманит), с 1816°, и две евтектики, с температурой плавления около 1600 и 1810°. Вторая система, практически наиболее важная, дает два химических соединения -  CaSiО3 с температурой плавления, 1  540° и Ca2SiО4 с температурой плавления 2130° - и евтектики с соответствующими температурами плавления 2015°, 1440° и 1326°:

Диаграмма доменного шлака

Третья система дает соединения: ЗСаO·Аl2O3, плавящееся с разложением, 5СаO·ЗАl2O3, с температурой плавления 1380°, СаО·Аl2O3, с температурой плавления 1590° и ЗСаO·5Аl2O3, плавящееся с разложением.

Диаграмма доменного шлака

Тройная система (фиг. 4) указанных компонентов дает два тройных соединения: CaO·Al2O3·2SiO2 c температурой плавления 1550° и соединение 2CaO·Al2O3·SiO2 с температурой плавления около 1600°.

Диаграмма (тройная система) доменного шлака

Применение доменных шлаков

Выход доменных шлаков приблизительно равен по весу выходу чугуна и в 2,5 раза превосходит этот последний по объему. Использование огромного количества доменных шлаков (в 1910 г. мировое производство чугуна и стали выразилось числом 125530000 т, в России - 5390000 т) представляет задачу большого экономического значения.

Применение доменных шлаков основано на использовании различных технически ценных свойств их, а именно: способности отливаться и давать весьма твердый материал, вытягиваться в расплавленном состоянии тонкими и по застывании упругими нитями, давать с известковым раствором затвердевающие цементные массы, образовывать с битуминозными веществами упругие и прочные настилки дорожных полотен, давать растениям усвояемую фосфорную кислоту и т. д. Разнообразие состава доменных шлаков благоприятствует возможности наиболее рационального выбора их в каждом отдельном случае. В табл. 4 сопоставлены применения доменных шлаков и главные требования на соответствующий доменный шлак.

Классификация применения доменных шлаков

Цементная промышленность. Наиболее широкое применение доменные шлаки находят в цементной промышленности, куда идут более основные шлаки, состоящие из двойных силикатов извести и глинозема, в которых часть извести заменена магнезией и закисью железа, а часть глинозема - окисью железа. Наличие в них аморфной кремнекислоты дает им способность при смешении с известью и водой образовывать нерастворимые в воде гидраты силикатов и алюминатов, служащие в качестве цементов. Доменные шлаки, идущие на гидравлические цементы, должны иметь отношение СаО : SiО2 не менее 1. Наиболее выгодным отношением СаO : SiO2 : Аl2O3 является 1 : 0,65 : 0,35. Эти доменные шлаки получаются гл. обр. при выплавке литейных чугунов, имеют серый цвет и состав: 25—27% SiО2, 8—20% Аl2O3, до 1,5% Fe2O3, 44—52% СаО, 1—2% CaSO4, до 3% MgO, до 3% МnО, до 3% CaS, до 2% FeO. Гидравличность их значительно повышается гранулированием (см. Грануляция шлака). Измельченный в тонкую муку шлак просеивают и смешивают с порошком гашеной извести (10—15 %, в зависимости от основности). Такой продукт называется шлаковым цементом (пуццолановым цементом). Состав его: 54—60% СаО, 20—25% SiО2, 0,6—5,0% MgO, 9—15% Al2О3 + Fe2О3, 0,8—2,6% SО3. Удельный вес его около 2,8. Шлаковый цемент относится к числу медленно схватывающихся; применяется гл. обр. при постройке фундаментов и в подводных бетонных сооружениях. Сопротивление на разрыв у шлакового цемента без песка менее, чем у портландского, но растворы его с песком обладают нередко большим сопротивлением: сопротивление на разрыв по истечении 7 дней 14—19 кг/см2, по истечении 28 дней 20—27 кг/см2. Иногда из шлакового цемента формуют кирпичи, которые затем обжигаются в печах до спекания, измельчаются и после просеивания идут в упаковку. Такой продукт называется настоящим шлаковым портландским цементом; он не уступает по своим качествам настоящему портландскому цементу. Наконец, встречается также т. н. смешанный цемент или железный портландский цемент - смесь настоящего портландского цемента (70%) с гранулированным доменным шлаком (до 30%).

Тепловая изоляция доменных шлаков, будучи во многих случаях весьма пористыми и состоящими, кроме того, из вещества малой теплопроводности, применяются как непосредственно, так и в виде ваты или бетонов в качестве тепловой изоляции. В табл. 1 дана сводка относящихся сюда данных.

Искусственные камни и стекольная масса. Обладая большой твердостью и прочностью, доменные шлаки дают хороший материал для производства искусственного строительного и мостильного камня. Производство ведется либо отливкой (способ Вудворта) либо цементированием (способ Зейдта). В первом случае шлак при температуре около 1700° выливается в открытые сверху раскидные формы из литого чугуна, расположенные по окружности вращающегося горизонтального круга и при вращении его последовательно наполняющиеся расплавленной массой. Затвердевающая отливка поступает в особую печь для отжига, т. к. в противном случае образуются трещины. Стенки форм обмазывают известью, предохраняющей отливку от быстрого охлаждения и обеспечивающей отставание отливки от формы. По твердости этот искусственный камень не уступает граниту. Он применяется в особенности в Англии и идет на мостовые и как массивы для подводных сооружений. Существуют и другие способы отливки шлаковых камней. Для получения цементированных камней гранулированный доменный шлак смешивают с гипсом, известью и окалиной железа; полученная пластическая масса прессуется и с течением времени затвердевает на воздухе. Такие камни обладают твердостью и упругостью, допускают вбивание гвоздей, легко обтесываются, не крошатся и не разрушаются от мороза. С годами прочность и твердость их значительно возрастает (например, в 5 раз по прошествии трех лет сравнительно с камнями двухмесячными).

Доменный шлак идет также на бетонные и другие смеси с различными цементами, в частности, например, с сорелевским магнезиальным (один из видов ксилолита). Вылитый в воду расплавленный доменный шлак, или вспененный струей пара, дает искусственную пемзу, а при других приемах работ - искусственный мрамор. Другое применение доменных шлаков -производство эмалей, глазури и полив для глиняных и металлических изделий, производство искусственных драгоценных камней (на Урале шлифуют различные подходящие по текстуре и цвету шлаки). Доменные шлаки, близкие по составу к стеклам, идут также на стекольные заводы: варка шлаков со щелочами и кремнеземом дает бутылочное стекло. Использование доменного шлака как материала для искусственных силикатов требует предварительного обессеривания его прокалкой докрасна в воздушной струе, отмучиванием и вторичной прокалкой или выветриванием на воздухе.

Искусственное удобрение. Различные шлаки содержат в себе фосфорную кислоту, притом в легко усвояемой растениями форме, и потому служат важным видом сельскохозяйственных удобрений. Наиболее ценен в этом отношении шлак, получающийся при переработке чугуна на сталь при основном процессе по способу Томаса и Гилькрайста - тонкий порошок серо-бурого цвета, носящий название томасова шлака (томасшлак). Он содержит от 8 до 24% (обычно 17—18%) фосфорного ангидрида, в виде тетракальциевофосфорнокислой соли (4СаО·Р2О5), растворимой в слабых кислотах. О значительности потребления этого шлака свидетельствуют следующие числа: в 1912 г. в Европе производилось 4 млн. тонн томасова шлака - в Германии 2,5 млн. т, во Франции 679 тыс. т, в Бельгии 534 тыс. т, в Англии 150 тыс. т, в остальных странах 150 тыс. т. Для удобрения применяются также мартеновские шлаки, искусственные фосфаты Уолтера (Wolter) или Уиборга (Wiborgh), а в некоторых случаях доменные. Однако все они содержат меньшее количество фосфорного ангидрида, и потому подмесь их к томасову шлаку считается подделкой.

Получение чугуна. Зерна чугуна в некоторых, особенно древесноугольных, шлаках иногда извлекают обратно путем раздробления шлаков, промывки и переплавки их. Шлак сварочных и т. п. печей поступает для переплавки в доменную печь.

Дорожное строительство. На постройку дорог идут кислые шлаки, которые получаются при выплавке томасова и переделочного чугуна.

А. Ю. Серк, руководствуясь германскими «Руководящими указаниями по производству и поставке доменных шлаков в качестве дорожных строительных материалов» (1928 г.), наметил следующие приемочные технические условия: 1) дорожный шлаковый материал должен отличаться равномерным плотным и мелкокристаллическим сложением; стекловатые куски не должны превышать по весу 5% от общего количества; 2) щебень должен иметь по возможности кубическую форму и острые грани, плоские куски отбрасывают; 3) гигроскопичность шлака д. б. не более 3% по весу; 4) явления распада в шлаковом щебне в общем недопустимы; количество распадающихся кусков во всяком случае не должно превышать 4%; 5) сопротивление сжатию, измеренное на вырезанных из шлака кубиках, должно составлять не менее 1200 кг/см3; 6) вес 1 м3 мелкого шлакового щебня при размере кусков от 3 до 6 см должен быть не менее 1250 кг.

 

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 7 - 1929 г.