Шлак металлургический: свойства и применение¶

Шлак — побочный продукт, образующийся при выплавке металлов из руд и при переработке различных материалов в высокотемпературных печах. Представляет собой расплав или застывшую массу, состоящую преимущественно из оксидов кремния, кальция, алюминия, железа и магния, а также сульфидов и других соединений. В металлургии шлак выполняет двойную функцию: он защищает расплавленный металл от окисления и поглощает вредные примеси, а после охлаждения сам становится ценным вторичным сырьём.

¶Происхождение и образование

Шлаки образуются в результате взаимодействия флюсов (известняка, доломита, кварцевого песка) с пустой породой руды, золой топлива и футеровкой печей. При доменной плавке температура в горне достигает 1400–1500 °C, при которой минеральные компоненты переходят в жидкое состояние и расслаиваются: более лёгкий шлак всплывает над чугуном. Аналогичные процессы идут в сталеплавильных агрегатах (конвертерах, мартеновских и электропечах), при цветной металлургии, а также при сжигании твёрдого топлива на тепловых электростанциях.

¶Классификация

По происхождению различают несколько основных типов:

• Доменные шлаки — образуются при выплавке чугуна, составляют наибольшую долю от общего объёма.
• Сталеплавильные шлаки — формируются при производстве стали, содержат больше оксидов железа.
• Цветные шлаки — побочные продукты плавки меди, никеля, свинца, цинка.
• Топливные шлаки и золы — отходы сжигания угля на ТЭС и в котельных.

По химическому составу выделяют кислые (с высоким содержанием кремнезёма) и основные (с преобладанием оксида кальция) шлаки. По структуре после охлаждения — плотные, пористые, стекловидные и гранулированные.

¶Свойства

Основные характеристики шлака определяются его составом:

Шлак химически инертен после застывания, устойчив к атмосферным воздействиям, обладает хорошими теплоизоляционными и дренажными свойствами. Наличие стекловидной фазы придаёт ему способность к связыванию, что важно при производстве цемента.

¶Применение

¶Строительство

Гранулированный доменный шлак — ценное сырьё для производства шлакопортландцемента. Добавление шлака снижает себестоимость вяжущего, повышает сульфатостойкость и долговечность бетона. Шлаковый щебень используют в дорожном строительстве, для балластировки железнодорожных путей, в качестве заполнителя для бетонов.

¶Металлургия

Шлаки применяют для извлечения остаточных металлов, а также как флюс при повторной плавке. Из некоторых видов шлака извлекают редкие и рассеянные элементы.

¶Сельское хозяйство

Молотые основные шлаки служат известковыми удобрениями для раскисления почв. Они нейтрализуют кислотность и обогащают грунт кальцием, магнием и микроэлементами.

¶Прочие направления

Шлаковую вату и минеральные волокна получают путём раздува расплава — материал идёт на теплоизоляцию. Шлакоситаллы (ситаллы) применяют как износостойкие и химически стойкие покрытия. Отдельные виды шлака служат сырьём для производства стекла и керамики.

¶Экологические аспекты

Накопление отвалов шлака создаёт нагрузку на окружающую среду: занимаются земли, возможен вынос тяжёлых металлов с фильтрационными водами. В то же время переработка шлака снижает потребность в добыче природного сырья и уменьшает объём отходов. В России и других странах действуют программы утилизации металлургических шлаков, а степень их вовлечения в хозяйственный оборот постоянно растёт.

¶История в России

Промышленное использование шлаков началось в XIX веке с развития доменного производства на Урале и в центральных губерниях. В советский период были созданы специализированные предприятия по переработке отвалов, а шлакопортландцемент стал массовым строительным материалом. Крупные металлургические комбинаты — Магнитогорский, Череповецкий, Нижнетагильский — располагают собственными цехами грануляции и переработки шлака.

¶Интересные факты

• Из доменного шлака получают материал, по прочности не уступающий природному граниту.
• Шлаковые отвалы иногда содержат остатки цветных металлов, извлечение которых экономически выгодно.
• В ряде стран шлак используют для создания искусственных рифов и рекультивации карьеров.
• Древние металлурги оставляли шлаковые «сопки», по которым археологи определяют места старинных плавилен.

Источники: учебные пособия по металлургии, материалы по строительным материалам, отраслевые обзоры по переработке промышленных отходов.