Шлак - Slag

Расплавленный шлак выносится наружу и сливается в отвал.
Производство железа - вывоз шлака, гравюра на дереве 1873 года

Шлак - это стекловидный побочный продукт, оставшийся после отделения (т. Е. Плавки ) желаемого металла от его сырой руды . Шлак обычно представляет собой смесь оксидов металлов и диоксида кремния . Однако шлаки могут содержать сульфиды металлов и элементарные металлы. Хотя шлаки обычно используются для удаления отходов при плавке металлов, они могут также служить и другим целям, например, помогать в регулировании температуры плавки и минимизировать любое повторное окисление конечного жидкого металлического продукта до того, как расплавленный металл будет удален из печи. печь и используется для изготовления твердого металла. В некоторых процессах плавки, таких как плавка ильменита для получения диоксида титана , ценным продуктом вместо металла является шлак.

Основной шлак

Основной шлак является побочным продуктом сталеплавильного производства и обычно производится либо по маршруту доменная печь - кислородный конвертер, либо по маршруту электродуговая печь - печь-ковш. Для флюса кремнезема, образующегося при выплавке стали, добавляют известняк и / или доломит , а также другие типы кондиционеров шлака, такие как алюминат кальция или плавиковый шпат . Таким образом, основные компоненты этих шлаков включают оксиды кальция, магния, кремния, железа и алюминия с меньшими количествами марганца, фосфора и других, в зависимости от специфики используемого сырья.

Из-за медленного высвобождения фосфата в фосфорсодержащем шлаке и из-за его эффекта известкования он ценится как удобрение в садах и на фермах в сталеплавильных зонах. Однако наиболее важным приложением является строительство.

Плавка руды

В природе железо, медь , свинец , никель и другие металлы находятся в загрязненных 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 удаляемых соединений. Во многих процессах плавки оксиды вводятся для регулирования химического состава шлака, помогая удалять примеси и защищая огнеупорную футеровку печи от чрезмерного износа. В этом случае шлак называют синтетическим . Хорошим примером является сталеплавильный шлак: негашеная известь (CaO) и магнезит (MgCO 3 ) вводятся для защиты огнеупора, нейтрализации глинозема и кремнезема, отделенных от металла, и способствуют удалению серы и фосфора из стали.

Слив шлака из одной из мартеновских печей сталелитейного завода Republic Steel , Янгстаун, Огайо, ноябрь 1941 года. Шлак отводится из печи непосредственно перед тем, как жидкая сталь разливается в ковши для разливки слитков .

В процессе плавки черных и цветных металлов образуются разные шлаки. Например, выплавка меди , свинца и бокситов при выплавке цветных металлов предназначена для удаления железа и кремнезема, которые часто встречаются с этими рудами, и разделения их на шлаки на основе силиката железа.

Сталь

С другой стороны, шлак сталеплавильных заводов при выплавке черных металлов предназначен для минимизации потерь железа и поэтому в основном содержит оксиды кальция , кремния , магния и алюминия . Любой песчаный или кварцевый компонент исходной руды автоматически проходит через процесс плавки в виде диоксида кремния.

Путь через отвал шлака в Кларкдейле , Аризона , видны бороздки от ржавых гофрированных листов, удерживающих его.

По мере того, как шлак выводится из печи, его поливают водой. Это быстрое охлаждение, часто от температуры около 2600 ° F (1430 ° C), является началом процесса гранулирования. Этот процесс вызывает несколько химических реакций в шлаке и придает материалу его цементирующие свойства.

Вода переносит шлак в виде суспензии в большой резервуар с перемешиванием, откуда он перекачивается по системе трубопроводов в ряд фильтрующих слоев на основе гравия. Затем фильтрующие слои задерживают гранулы шлака, а вода стекает и возвращается в систему.

Когда процесс фильтрации завершен, оставшиеся гранулы шлака, которые теперь выглядят как крупнозернистый пляжный песок, могут быть вычерпаны из фильтрующего слоя и перенесены в помольную установку, где они измельчаются до частиц, более мелких, чем портландцемент .

Приложения

Древнее использование

Ранний шлак из Дании, ок. 200-500 гг.  Н. Э.

В эпоху бронзы в Средиземном море было огромное количество дифференциальных металлургических процессов в использовании. Побочным продуктом шлака таких работ был цветной стекловидный материал, который находили на поверхности шлака древних медеплавильных заводов. Он был в основном синим или зеленым, и раньше его измельчали ​​и плавили для изготовления изделий из стекла и ювелирных изделий. Его также измельчали ​​в порошок для добавления в глазури для керамики. Некоторые из первых подобных применений побочных продуктов шлака были найдены в Древнем Египте.

Исторически сложилось так, что переплавка железорудного шлака была обычной практикой, поскольку усовершенствованные методы плавки позволяли повысить выход железа - в некоторых случаях превышающий первоначально достигнутый. В начале 20 века железорудный шлак измельчали ​​до порошка и использовали для изготовления агатового стекла , также известного как шлаковое стекло.

Современное использование

Измельченный гранулированный шлак часто используется в бетоне в сочетании с портландцементом как часть смешанного цемента. Измельченный гранулированный шлак вступает в реакцию с побочным продуктом кальция, образующимся в процессе реакции портландцемента, с образованием вяжущих свойств. Бетон, содержащий измельченный гранулированный шлак, в течение более длительного периода времени развивает прочность, что приводит к снижению проницаемости и повышению долговечности. Поскольку удельный объем портландцемента уменьшается, этот бетон менее уязвим к щелочно-кремнеземной и сульфатной атаке .

Шлак используется при производстве бетона с высокими эксплуатационными характеристиками, особенно для строительства мостов и береговых сооружений, где его низкая проницаемость и повышенная стойкость к хлоридам и сульфатам могут помочь снизить коррозионное воздействие и разрушение конструкции. Шлак также можно использовать для создания волокон, используемых в качестве изоляционного материала, называемого шлаковой ватой .

Воздействие на окружающую среду

Озеро Калумет, Чикаго, Иллинойс

pH влияет

Одно тематическое исследование грунтовых вод в озере Калумет , штат Иллинойс, показывает, что стальной шлак может образовывать чрезвычайно щелочные грунтовые воды, постоянно повышая pH до 12,8. Шлак содержит силикаты кальция (CaSiO 4 ), которые реагируют с водой и производят ионы Ca-OH, что приводит к более высокой концентрации гидроксида (OH-) в грунтовых водах. Когда грунтовые воды разряжаются и контактируют с CO 2 в атмосфере , образуются осадки кальцита, которые накапливаются толщиной до 20 см. По мере увеличения pH многие другие металлы, также из шлака, такие как железо (Fe) , марганец (Mg) , никель (Ni) и молибден (Mo), становятся более нерастворимыми в воде и подвижными в виде твердых частиц . Самый эффективный метод детоксикации сбросов щелочных грунтовых вод - это барботирование воздуха .

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Димитрова, С.В. (1996). «Сорбция металла на доменном шлаке». Водные исследования . 30 (1): 228–232. DOI : 10.1016 / 0043-1354 (95) 00104-S .
  • Рой, DM (1982). «Гидратация, структура и свойства доменных шлаков из цементов, растворов и бетона». ACI Journal Proceedings . 79 (6).
  • Fredericci, C .; Zanotto, ED; Зимат, ЕС (2000). «Механизм кристаллизации и свойства доменного шлакового стекла». Журнал некристаллических твердых тел . 273 (1–3): 64–75. Bibcode : 2000JNCS..273 ... 64F . DOI : 10.1016 / S0022-3093 (00) 00145-9 .