Строительные материалы

Стройматериалы из отходов

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

К основным направлениям переработки металлургических шлаков наряду с производством вяжущих, заполнителей и бетонов на их основе относится получение материалов из шлаковых расплавов — шлаковой ваты, литых материалов, стекла и шлакоситаллов.

Эти строительные материалы объединяют общность сырьевой базы, включающей шлаки черной и цветной металлургии, стекловидная или стеклокристаллическая структура, возможность изготовления их непосредственно из шлаковых расплавов.

Шлаковая вата — это разновидность минеральной ваты, занимающей ведущее место среди теплоизоляционных материалов как по объему выпуска, так и по строительно-техническим свойствам.

Примерно 80% минеральной ваты производится из доменных шлаков. Производительность печей для получения минерального расплава из металлургических шлаков на 24% выше, чем на природном сырье, а себестоимость значительно ниже.

Для получения минеральной ваты наряду с доменными шлаками применяются также ваграночные, мартеновские и шлаки цветной металлургии.

Химический состав шихты подбирается в соответствии с условиями достижения оптимальной величины вязкости расплава. Рекомендуется такой состав шихты, при котором вязкость расплава не превышала бы 0,5 Пас при 1500 °С и 1,5 Пас при 1400 °С. При такой вязкости обеспечиваются достаточная текучесть и необходимые условия получения кондиционного минерального волокна.

Вместе с тем при чрезмерно низкой вязкости затрудняется вытягивание длинных волокон.

Условия раздува расплава, диаметр и длина волокон зависят также от скорости нарастания вязкости при снижении температуры и отношения вязкости к силам свободной энергии поверхности расплава, т. е. от поверхностного натяжения.

Основным критерием качества шлаков, как сырья для производства минеральной ваты, является значение модуля кислотности Мк — величины, обратной модулю основности. Минеральная вата марки 100 по средней плотности имеет Мк> 1,4, а марки 75 — Мк > 1,5.

Требуемое соотношение кислотных и основных оксидов в шихте обеспечивается применением кислых шлаков. Кислые шлаки более устойчивы против распада, недопустимого в минеральной вате. Повышение содержания кремнезема расширяет температурный интервал вязкости, т. е. разность температур, в пределах которых возможно волокнообразование. Модуль кислотности шлаков корректируется введением в шихту кислых или основных добавок. В качестве кислых добавок обычно применяют бой глиняного или силикатного кирпича, золу теплоэлектростанций, различные кремнеземистые горные породы, а основными являются доломиты и известняки.

Для шлаков, содержащих повышенное количество оксидов железа и марганца, дополнительной качественной характеристикой является коэффициент насыщения, представляющий собой отношение суммы процентного содержания Si02 + A1203 к суммарному процентному содержанию прочих оксидов. Этот коэффициент при плавке шихты в вагранках составляет 1,5—2.

Технологический процесс производства шлаковой ваты ( 2.13), как и других разновидностей минеральной ваты, состоит из двух основных стадий: получения расплава и переработки его в волокно. Из шлаковой ваты с помощью органических и неорганических вяжущих или без них изготавливают разнообразные теплоизоляционные изделия и материалы.

Для получения шлаковых расплавов применяют печи шахтного типа (вагранки) и ванные печи. При использовании вагранок в верхнюю их часть периодически загружается газопроницаемая шихта. Оптимальная величина кусков шлака и кокса составляет 50—70 мм. Шихта опускаясь вниз, расплавляется. Продукты горения топлива поднимаются вверх и передают тепло расплавляемому материалу.

Наиболее выгодным шлаковым сырьем является литой шлаковый щебень. Использование его вместо несортированных шлаков повышает производительность вагранок на 30%.

В последние годы для плавления шлаков применяют ванные печи, тепловой КПД которых составляет 35—45%, в то время как у вагранок он 16—25%.

Наиболее эффективным способом производства ваты является ее получение непосредственно из первичных шлаковых расплавов доменных печей. Расплавленный шлак подогревается в ванных печах до требуемой температуры; здесь же корректируется его состав. Производство минеральной ваты из огненно-жидких шлаков на 30—50% экономичнее, чем из холодных при плавке в вагранках. Затраты условного топлива на получение 1 т продукции из жидких шлаков в 4— 7 раз ниже, чем при плавлении шихты из горных пород.

Шлаковый расплав превращают в минеральное волокно, воздействуя на него потоком пара, воздуха или газа (дутьевой способ) или центробежной силой (центробежный способ). Дутьевой способ получения шлаковой ваты заменяется на центробежный и комбинированный способы, позволяющие получить длинноволокнистую вату с плотностью до 100 кг/м3 и минимальным содержанием неволокнистых включений.

Вату в зависимости от назначения изготавливают трех типов: для производства плит повышенной жесткости из гидромассы, плит горячего прессования, полусухого прессования марки 200 и других изделий на синтетическом связующем — А; плит марок 50, 75, 125, 175, цилиндров, полуцилиндров на синтетической связующем, матов, шнуров и волокна — Б; плит на битумном вяжущем — В.

Технические показатели ваты указаны в табл. 2.13. Содержание органических веществ в вате должно быть не более 2%. Допустима изоляция поверхностей с температурой не более 700 °С.

На основе минеральной ваты изготавливают изделия различной формы с использованием в качестве связующих синтетических полимеров, битумов, эмульсий и паст. Основными видами изделий являются мягкие, полужесткие и жесткие плиты, цилиндры, полуцилиндры.

Шлаковое литье. Огненно-жидкие шлаки металлургической промышленности представляют собой ценное сырье для получения различных литых шлаковых материалов и изделий (мелкоштучных, крупноразмерных фасонных изделий и труб и др.). Технология их производства проста и в общем виде может быть представлена в следующей последовательности: металлургическая печь, загрузочный ковш, миксер (с подогревом) для шлакового расплава, литейные формы, печь для кристаллизации и отжига изделий, место для их сортировки, склад готовой продукции. В производстве литых материалов и изделий используются кислые доменные или другие любые шлаки, не склонные к силикатному распаду.

Качество литых шлаковых изделий зависит от многих факторов: вида и химического состава шлака, температуры расплава, скорости заливки его в формы, длительности охлаждения, режима отжига и др. Отклонения от оптимального режима технологии изготовления изделий приводят к возникновению в них трещин. Литые шлаковые изделия обладают высокой прочностью.

Из расплавленных металлургических шлаков отливают разнообразные изделия: камни для мощения дорог и полов промышленных зданий, тюбинги, бордюрный камень, противокоррозионные плитки, трубы и др. Литые изделия из шлакового расплава экономически более выгодные, чем каменное литье, приближаясь к нему по механическим свойствам. Средняя плотность литых изделий из шлака достигает 3000 кг/м3, а предел прочности при сжатии — 500 МПа.

По износостойкости, жаростойкости и ряду других свойств шлаковое литье превосходит железобетон и сталь. Литые изделия из шлака эффективнее, чем сталь, в различных футеровках, например бункеров и тачек для транспортирования абразивных материалов (руд, агломерата, щебня, песка и т. д.). Срок службы их в 5—6 раз больше срока службы стальной футеровки. На каждой тонне литых из шлака плит экономят не менее 2—3 т металла.

Не менее эффективна литая брусчатка для дорог и полов промышленных зданий. Срок службы автомобильных дорог из шлаколитой брусчатки между капитальными ремонтами в 2 раза больше, а эксплуатация дешевле, чем асфальтовых. Из шлака отливают тюбинги для водонепроницаемых креплений горных выработок, жаростойкие блоки с температурой службы до 1100—1200 °С, химически стойкие изделия.

В производстве литых изделий ( 2.14) применяют расплавы нераспадающихся, обычно кислых доменных, мартеновских, медеплавильных, никелевых и других шлаков. Огненно-жидкие шлаки загружают в специальный миксер, где они подогреваются для дегазации, а затем сливают в ковш и подают на литейную площадку к подготовленным формам, где отливки и затвердевают.

При затвердении, кристаллизации и последующем охлаждении отливок усадка шлака составляет 7% объема, что вызвано изменением температуры и фазовыми превращениями. Неравномерное распределение температур, колебания химического состава шлака приводят к возникновению напряжений которые могут превышать предел прочности литья на растяжение и приводить к образованию трещин. Термические напряжения в изделиях снимают в специальных печах для кристаллизации и отжига.

Для уменьшения напряжений и ликвидации усадочных явлений в отливках создают жесткий каркас наполнителя в качестве которого, используют кусковые шлаки. При отливке небольших плоских изделий количество наполнителя составляет 10—25% объема, и он в основном расплавляется, аккумулируя тепло. В массивных изделиях наполнитель составляет до 40—60% объема изделия и оплавляется лишь частично, снижая усадку и улучшая условия кристаллизации шлака. При этом возможно в широких пределах изменять среднюю плотность изделий, а также улучшать условия работы форм и значительно сокращать сроки охлаждения отливок.

Крупные изделия для снижения внутренних напряжений армируют стальной арматурой. Поскольку коэффициент термического расширения шлака меньше, чем стали, при остывании изделий стальная арматура плотно стягивает отливку, препятствуя образованию трещин. Армированные шлаколитые изделия можно применять вместо сборных железобетонных, они превосходят последние по прочностным показателям. Однако недостатками этих изделий являются некоторое снижение прочности стали при высокой температуре шлакового расплава, а также сравнительно высокая трудоемкость изготовления.

Для получения пористого шлакового литья выполняют поризацию шлакового расплава. С этой целью, например, на дно формы насыпают увлажненную коксовую мелочь или обрабатывают расплав водой. Из поризованного шлакового расплава формуют изделия разнообразных конфигураций. В зависимости от степени поризации средняя плотность литых изделий колеблется в диапазоне 350—-1500 кг/м3 при прочности на сжатие 1,5—30 МПа.

Шлаковые стекла. Металлургические шлаки применяют в качестве основного сырья при получении шлаковых стекол, а также как добавки, интенсифицирующие процессы стекловарения.

Отмечено благоприятное влияние добавок на осветление стекломассы благодаря наличию в них тонкодисперсных частиц сульфидов натрия и кальция, которые усиливают выделение газов.

Образующийся сернистый газ активизирует массообмен в проваривающейся шихте и тем самым способствует быстрейшему силика-тообразованию при температуре на 30—35 °С ниже обычной. Рекомендуется использовать до 9% добавки шлака для производства листового стекла. При этом выработочные и эксплуатационные свойства стекла не ухудшаются. Отработаны технологии получения шлаковых стекол для изготовления декоративных плит и стеклокрошки.

Перспективным материалом является сигран. Этот декоративно-отделочный материал разработан в МХТИ им. Д.И. Менделеева на основе металлургических шлаков

Характерной особенностью сиграна, имеющего по всему объему оранжево-коричневый цвет, являются включения в его массе поликристаллических агрегатов неправильной формы иного цвета, чем основная масса. По внешнему виду он напоминает природные отделочные материалы — гранит, мрамор. Установлено, что на структуру сиграна влияет структура исходного стекла и режим его термообработки. Варьируя количеством добавок и режимом термообработки, можно получать сигран с различным размером агрегированных частиц (от 2 до 5 мм). При этом меняется и структура этих частиц.

Получены авантюриновые стекла на основе шлаков металлургических производств, декоративный эффект в которых достигнут за счет оксидов Си, Сг, Fe, Pb, U. Многие известные составы авантюриновых стекол не нашли широкого применения из-за дороговизны применяемых сырьевых материалов. Для массового производства подходят лишь хромовые авантюриновые стекла.

Проведенные исследования показали возможность удешевления авантюриновых стекол за счет использования до 60% шлака в шихте. Наблюдается тенденция дальнейшего увеличения содержания шлака в стекле. Предложено авантюриновое стекло на основе высокожелезистых шлаков. Оно обладает хорошими декоративными и физико-химическими свойствами: микротвердость — 50—62 МПа, щелочеустой-чивость — 93,5—97%, температура размягчения— 620—650 °С, показатель преломления — 1,587—1,596.

Всесторонние исследования авантюриновых стекол на основе шлаков позволили, например, внедрить на Херсонском заводе стеклоиз-делий состав авантюринового стекла, разработанный в Днепропетровском химико-технологическом институте. Сырьем для этого стекла является феррохромовый шлак с подшихтовкой кварцевым песком и содой. Состав шихты на 100 кг стекла (кг): песок — 42,7; шлак — 48,52; сода— 17,72.

В НИИавтостекла совместно с МХТИ им. Д.И. Менделеева впервые в стране разработан и основан поточный способ получения листового авантюринового стекла на основе шлаков. Стекло представляет почти черную массу со светящимися в отраженном свете включениями светло-зеленого цвета.

Авантюриновое шлаковое стекло является разновидностью марблита — облицовочного материала на основе глушеных стекол, изготавливаемого в виде плит непрерывным прокатом. Марблит можно получать различной окраски с использованием доменного, медеплавильного и других видов шлака.

Шлакоситаллы — разновидность стеклокристаллических материалов, получаемых направленной кристаллизацией стекол. В отличие от других ситаллов, сырьевыми материалами для них служат шлаки черной и цветной металлургии, а также золы от сжигания каменного угля.

Шлакоситаллы широко применяются в строительстве как конструкционные и отделочные материалы, обладающие высокой прочностью, износостойкостью и химической стойкостью.

Производство шлакоситаллов заключается в варке шлаковых стекол, формовании из них изделий и последующей их кристаллизации. Шихта для получения стекол состоит из шлака, песка, щелочесодер-жащих и других добавок. Эффективно использование огненно-жидких металлургических шлаков, что экономит до 30—40% всего тепла, затрачиваемого на варку.

Шлаковое стекло готовят в два этапа: 1) сырье предварительно варится в конвертере, где смешиваются жидкий шлак и другие сырьевые компоненты; 2) полученная стекломасса осветляется в ванных печах. Для получения белого и серого шлакоситалла в состав стекла вводят оксид цинка, голубых оттенков — оксид хрома, черного — сульфиды железа и марганца. Поверхность шлакоситаллов может окрашиваться цветными керамическими красками.

Шлакоситаллы в виде прокатных листов, прессованных плит, труб и других изделий выпускают на поточных механизированных линиях. Отформованные изделия поступают в кристаллизатор, где подвергаются тепловой обработке.

Шлакоситаллы отличаются от большинства строительных материалов более высокими физико-механическими свойствами (табл. 2.16). Так, их прочность в несколько раз превышает прочность исходного стекла и близка к прочности чугуна и стали. В то же время шлакоситаллы в 3 раза легче их. Термостойкость шлакоситаллов достигает 150—200 °С. Особенно высокими являются показатели химической стойкости и стойкости к истиранию.

Шлакоситаллы можно подвергать различным способам механической обработки: шлифовке, полировке, резке, сверлению алмазным или карборундовым инструментом. Этот материал можно упрочнить закалкой на 50—100%.

Плитами из листового шлакоситалла облицовывают цоколи и фасады зданий, отделывают внутренние стены и перегородки, выполняют из них ограждения балконов и кровли. Шлакоситалл — это эффективный материал для ступеней, подоконников и других конструктивных элементов зданий, а также полов промышленных и гражданских зданий. Из шлакоситалла изготавливают трубы, высоковольтные изоляторы и др. Высокая износостойкость и химическая стойкость позволяют успешно применять шлакоситаллы для защиты строительных конструкций и аппаратуры в химической, горнорудной и других отраслях промышленности. Наряду с плотным получают пористый шлакоситалл (пено-шлакоситалл), который является хорошим теплоизоляционным материалом.

Экономический эффект применения шлакоситаллов зависит от области строительства и вида заменяемых традиционных материалов.