Шлак — продукт плавки металлов¶
Шлак — побочный продукт металлургических и иных производств, представляющий собой расплавленную или охлаждённую силикатную массу, образующуюся при плавке руд и переплавке металлов. Шлак отделяется от металла вследствие разницы плотностей и состоит преимущественно из оксидов кремния, кальция, алюминия, магния и железа. По химическому составу шлаки делятся на кислые, нейтральные (базовые) и основные; по происхождению — на доменные, мартеновские, конвертерные, электропечные и другие виды.
¶Образование и состав
При плавке руды металлургические примеси — шлакообразующие компоненты руды (кварц, глинозём, известняк) и введённые флюсы — связываются в расплав, который не смешивается с металлом и всплывает на поверхность. Основные компоненты шлака:
- Диоксид кремния (SiO₂) — от 30 до 50 % массы большинства шлаков;
- Оксид кальция (CaO) — до 50 % в основных шлаках;
- Оксиды алюминия (Al₂O₃), магния (MgO), марганца (MnO);
- Оксиды железа (FeO, Fe₂O₃) — особенно в мартеновских и конвертерных шлаках;
- Сера и фосфор в виде сульфидов и фосфатов.
Кислотность шлака характеризуется модулем основности — отношением массовой доли CaO к массовой доле SiO₂. При модуле выше 1 шлак считается основным, ниже 1 — кислым.
¶Виды шлаков
¶По происхождению
| Вид | Производство | Особенности |
|---|---|---|
| Доменный | Плавка чугуна | Богат кальцием, используется для получения шлакового щебня и цементного клинкера |
| Мартеновский | Сталеплавильный процесс в мартеновских печах | Содержит оксиды железа, применялся в СССР до 1990-х годов |
| Конвертерный | Конвертерное производство стали | Быстро твердеет, пригоден для шлакового щебня |
| Электропечной | Плавка в дуговых электропечах | Содержит примеси легирующих элементов |
| Топливный (зольно-шлаковый) | ТЭЦ, котельные | Образуется при сжигании угля; в России ежегодно накапливаются десятки миллионов тонн золошлаковых отходов |
¶По состоянию
Расплавленный шлак называют жидким, охлаждённый и измельчённый — гранулированным, а медленно остывший в отвале — чушковым (крупнокусковым). Гранулированный шлак обладает вяжущими свойствами и активно используется в строительстве.
¶Применение
Шлак — один из наиболее перерабатываемых промышленных отходов. Основные направления использования:
- Строительство дорог — шлак и шлаковое волокно применяются как основание дорожных покрытий; шлаковые щебни (ГОСТ 25607) широко используются в дорожном строительстве России;
- Производство цемента — гранулированный доменный шлак вводится в состав шлакопортландцемента (до 70 % клинкера заменяется шлаком), что снижает стоимость и тепловыделение бетона;
- Шлакоблоки — изделия из шлака, цемента и воды, распространённый стеновой материал;
- Металлургия — шлак используется как флюс при повторной плавке, а из мартеновских шлаков извлекают железо;
- Сельское хозяйство — гранулированный шлак применяется для нейтрализации кислых почв, так как содержит кальций и микроэлементы;
- Декоративные цели — шлаковая крошка используется в ландшафтном дизайне.
¶Экологические вопросы
Накопление шлака создаёт экологические проблемы: отвалы шлака занимают значительные площади, а при вымывании дождём из шлака могут мигрировать тяжёлые металлы и сульфаты в грунтовые воды. Наиболее острая ситуация сложилась вокруг угольных ТЭЦ в Кузбассе, Подмосковье и других регионах, где золошлаковые отвалы занимают тысячи гектаров. В России разработаны стандарты на безопасное использование шлаков в строительстве (ГОСТ 25607-2014, ГОСТ 9758), регламентирующие содержание вредных примесей.
¶Историческая справка
Использование шлака в строительстве известно с античных времён: римляне применяли вулканический шлак (пуццолан) для приготовления гидравлического бетона. В России промышленная переработка доменного шлака началась в XIX веке на Уральских заводах. Крупнейшие шлаковые отвалы — «шлаковые горы» — сложились в городах металлургии: Нижнем Тагиле, Магнитогорске, Череповце, Липецке.
¶Источники
- Большая советская энциклопедия, статья «Шлак»
- ГОСТ 25607-2014 «Щебень и гравий шлаковые для строительных работ»
- Справочник «Металлургия чугуна и стали», под ред. В. А. Гринберга
- Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона