Шлак
Шлак — побочный продукт ( плавки пирометаллургии ) руд и вторичного сырья. [ 1 ] Шлак представляет собой в основном смесь оксидов металлов и диоксида кремния . В широком смысле его можно разделить на черные (побочные продукты переработки железа и стали), ферросплавы (побочный продукт производства ферросплавов) или цветные / недрагоценные металлы (побочные продукты восстановления цветных металлов, таких как медь, никель) . , цинк и фосфор ). [ 2 ] В рамках этих общих категорий шлаки можно далее классифицировать по их предшественнику и условиям обработки (например, доменные шлаки, доменный шлак с воздушным охлаждением, конвертерный шлак кислородной печи и шлак электродуговой печи ). «Шлак, образующийся в процессе ЭДП, может содержать токсичные металлы, которые могут быть опасны для здоровья человека и окружающей среды». [ 3 ]
Из-за большого спроса на эти материалы, производство шлака также значительно увеличилось за последние годы, несмотря на переработку (особенно в черной металлургии ) и усилия по вторичной переработке . По оценкам Всемирной ассоциации производителей стали 600 кг побочных продуктов (около 90 % по весу составляют шлаки). образуется (WSA), на тонну произведенной стали [ 5 ]
Состав
[ редактировать ]Шлак обычно представляет собой смесь оксидов металлов и диоксида кремния . Однако шлаки могут содержать сульфиды металлов и элементарные металлы.
Основными компонентами этих шлаков являются оксиды кальция , магния , кремния , железа и алюминия, в меньших количествах — марганец , фосфор и другие, в зависимости от особенностей используемого сырья. Кроме того, шлак можно классифицировать по содержанию железа среди других основных компонентов. [ 1 ]
Плавка руды
[ редактировать ]В природе железо, медь, свинец, никель и другие металлы встречаются в нечистых состояниях, называемых рудами , часто окисленных и смешанных 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 контроля химического состава шлака, содействия удалению примесей и защиты огнеупорной футеровки 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 огнеупоров, нейтрализации глинозема и кремнезема, отделившихся от металла, и способствуют удалению серы и фосфора из стали. [ нужна ссылка ]
Как побочный продукт сталеплавильного производства , шлак обычно производится либо по доменная печь – кислородный конвертер маршруту , либо по маршруту электродуговая печь – ковш. [ 6 ] Для флюсования кремнезема, получаемого при выплавке стали, известняк и/или доломит добавляют , а также другие типы кондиционеров для шлака, такие как алюминат кальция или плавиковый шпат .
Классификации
[ редактировать ]Существует три типа шлаков: шлаки черных , ферросплавных и цветных металлов , которые производятся различными процессами плавки.
Черные шлаки
[ редактировать ]Шлаки черных металлов производятся на разных стадиях процессов производства железа и стали, что приводит к различным физико-химическим свойствам. Кроме того, скорость охлаждения шлакового материала влияет на его степень кристалличности, еще больше расширяя диапазон его свойств. Например, медленно охлажденные доменные шлаки (или шлаки с воздушным охлаждением), как правило, содержат больше кристаллических фаз, чем закаленные доменные шлаки ( измельченные гранулированные доменные шлаки ), что делает их более плотными и лучше подходящими в качестве заполнителя. Он также может иметь более высокое содержание свободного оксида кальция и оксида магния, которые часто преобразуются в его гидратированные формы, если нежелательно чрезмерное объемное расширение. С другой стороны, закаленные водой доменные шлаки имеют большее количество аморфных фаз, что придает им скрытые гидравлические свойства (как обнаружил Эмиль Ланген в 1862 году), подобные портландцементу . [ 7 ]
В процессе выплавки железа образуется железистый шлак, но в нем преобладают кальциевые и кремниевые составы. Благодаря этому процессу шлак железа может быть разбит на доменный шлак (полученный из оксидов железа в расплавленном железе), а затем на стальной шлак (образующийся при объединении стального лома и расплавленного железа). Основные фазы шлаков железа содержат богатые кальцием силикаты группы оливина и силикаты группы мелилита .
Шлак сталелитейных заводов при выплавке черных металлов предназначен для минимизации потерь железа, из-за чего выделяется значительное количество железа, за которым следуют оксиды кальция , кремния , магния и алюминия. Когда шлак охлаждается водой, несколько химических реакций при температуре около 2600 ° F (1430 ° C) (например, окисление ). внутри шлака происходит [ 1 ]
Согласно исследованию Национального исторического памятника Хоупвелл в округах Беркс и Честер , штат Пенсильвания , США, шлак черных металлов обычно содержит более низкую концентрацию различных типов микроэлементов, чем шлак цветных металлов . Однако некоторые из них, такие как мышьяк (As), железо и марганец , могут накапливаться в грунтовых и поверхностных водах до уровней, которые могут превышать экологические нормы. [ 1 ]
Шлак цветных металлов
[ редактировать ]Шлак цветных металлов получают из цветных металлов природных руд. Шлаки цветных металлов можно разделить на медные, свинцовые и цинковые шлаки в зависимости от состава руд, и они имеют больший потенциал негативного воздействия на окружающую среду, чем шлаки черных металлов. Например, выплавка меди, свинца и бокситов при выплавке цветных металлов предназначена для удаления железа и кремнезема, которые часто встречаются в этих рудах, и отделения их в виде шлаков на основе железосиликата. [ 1 ]
Медный шлак, отход плавки медных руд, изучали на заброшенной шахте Пенн в Калифорнии, США. В течение шести-восьми месяцев в году этот регион затопляется и становится резервуаром для питьевой воды и орошения . Пробы, собранные из водоема, показали более высокую концентрацию кадмия (Cd) и свинца (Pb), превышающую нормативные требования. [ 1 ]
Приложения
[ редактировать ]Шлаки могут служить и другим целям, например, способствовать контролю температуры при плавке и минимизировать любое повторное окисление конечного жидкого металлического продукта перед тем, как расплавленный металл будет удален из печи и использован для производства твердого металла. В некоторых процессах плавки, таких как плавка ильменита для получения диоксида титана , шлак может быть ценным продуктом. [ 8 ]
Древнее использование
[ редактировать ]В эпоху бронзы в Средиземноморье использовалось огромное количество дифференциальных металлургических процессов. Шлаковым побочным продуктом таких работ был цветной стекловидный материал, обнаруженный на поверхности шлака древних медеплавильных заводов. В основном он был синим или зеленым, и раньше его откалывали и переплавляли для изготовления стеклянной посуды и ювелирных изделий. Его также измельчали в порошок и добавляли в глазури для использования в керамике. Некоторые из первых подобных применений побочных продуктов шлака были обнаружены в Древнем Египте . [ 9 ]
Исторически сложилось так, что переплавка железорудного шлака была обычной практикой, поскольку усовершенствованные методы плавки позволяли получать больше железа, в некоторых случаях превышая первоначально достигнутый. В начале 20 века железорудный шлак также измельчали в порошок и использовали для изготовления агатового стекла , также известного как шлаковое стекло.
Современное использование
[ редактировать ]Строительство
[ редактировать ]Использование шлаков в строительной отрасли началось в 1800-х годах, когда доменные шлаки использовались для строительства дорог и железнодорожного балласта. В это время он также использовался в качестве заполнителя и начал внедряться в цементную промышленность как геополимер . [ 10 ]
Сегодня измельченные гранулированные доменные шлаки используются в сочетании с портландцементом для создания « шлакового цемента ». Гранулированные доменные шлаки реагируют с портландитом ( Ca(OH) 2 ), который образуется при гидратации цемента в результате пуццолановой реакции для придания цементирующих свойств, которые в первую очередь способствуют более позднему набору прочности бетона. Это приводит к получению бетона с пониженной проницаемостью и большей долговечностью. Требуется тщательное рассмотрение типа используемого шлака, поскольку высокое содержание оксидов кальция и оксидов магния может привести к чрезмерному объемному расширению и растрескиванию бетона. [ 11 ]
Эти гидравлические свойства также использовались для стабилизации грунтов при строительстве дорог и железных дорог . [ 12 ]
Гранулированный доменный шлак применяется при производстве высокоэффективных бетонов, особенно тех, которые применяются при строительстве мостов и береговых сооружений, где его низкая проницаемость и большая устойчивость к хлоридам и сульфатам позволяют снизить коррозионное воздействие и разрушение конструкции. [ 13 ] [ источник, созданный пользователем? ]
Шлак также можно использовать для создания волокон, используемых в качестве изоляционного материала, называемого шлаковой ватой .
Шлак также используется в качестве заполнителя в асфальтобетоне для мощения дорог . Исследование, проведенное в Финляндии в 2022 году, показало, что дорожные покрытия, содержащие феррохромовый шлак, выделяют высокоабразивную пыль, из-за которой детали автомобилей изнашиваются значительно быстрее, чем обычно. [ 14 ]
Очистка сточных вод и сельское хозяйство
[ редактировать ]Растворение шлаков приводит к образованию щелочности, которую можно использовать для осаждения металлов, сульфатов и избыточных питательных веществ (азота и фосфора) при очистке сточных вод. Точно так же шлаки железа использовались в качестве кондиционеров почвы для восстановления баланса pH почвы , а удобрения - в качестве источников кальция и магния. [ 15 ]
Из-за медленного высвобождения фосфатов в фосфорсодержащем шлаке и из-за его известковающего действия он ценится в качестве удобрения в садах и фермах в сталелитейных производствах. Однако наиболее важным применением является строительство. [ 16 ]
Новые приложения
[ редактировать ]Шлаки обладают одним из самых высоких потенциалов карбонизации среди промышленных щелочных отходов из-за высокого содержания оксидов кальция и оксидов магния, что вдохновляет на дальнейшие исследования по проверке их возможности в CO 2 Методы улавливания и хранения ( CCS ) (например, прямая водная секвестрация, сухая газо-твердая карбонизация и другие). [ 17 ] [ 18 ] С помощью этих методов CCS шлаки можно превращать в осажденные карбонаты кальция для использования в производстве пластмасс и бетона, а также выщелачивать для металлов, которые будут использоваться в электронной промышленности. [ 19 ]
Однако высокая физическая и химическая изменчивость различных типов шлаков приводит к нестабильности производительности и выхода. [ 20 ] Более того, расчет потенциала карбонизации на основе стехиометрии может привести к завышению оценки, что может еще больше запутать истинный потенциал материала. [ 21 ] С этой целью некоторые предложили провести серию экспериментов по проверке реакционной способности конкретного шлакового материала (т. е. растворения ) или использовать теорию топологических ограничений (TCT) для объяснения его сложной химической сети. [ 22 ]
Влияние на здоровье и окружающую среду
[ редактировать ]Этот раздел нуждается в расширении . Вы можете помочь, добавив к нему . ( январь 2024 г. ) |
Шлаки вывозятся вместе со шлаковыми хвостами на «шлаковые отвалы», где подвергаются выветриванию, с возможностью вымывания токсичных элементов и гиперщелочных стоков в почву и воду, создавая угрозу местным экологическим сообществам. Проблемы с выщелачиванием обычно возникают в отношении шлаков цветных металлов или цветных металлов, которые, как правило, имеют более высокие концентрации токсичных элементов. Однако они также могут присутствовать в шлаках черных металлов и ферросплавов, что вызывает обеспокоенность по поводу сильно выветрелых шлаковых отвалов и переработанных материалов. [ 23 ] [ 24 ]
Растворение шлаков может привести к образованию высокощелочных грунтовых вод со значениями pH выше 12. [ 25 ] Силикаты кальция (CaSiO 4 ) в шлаках реагируют с водой с образованием ионов гидроксида кальция , что приводит к более высокой концентрации гидроксида (OH-) в грунтовых водах . Эта щелочность способствует минерализации растворенного CO 2 (из атмосферы) с образованием кальцита (CaCO 3 ), который может накапливаться толщиной до 20 см. Это также может привести к растворению в шлаке других металлов, таких как железо (Fe), марганец (Mn), никель (Ni) и молибден (Mo), которые становятся нерастворимыми в воде и подвижными в виде твердых частиц . Наиболее эффективным методом детоксикации сбросов щелочных грунтовых вод является барботирование воздухом . [ 25 ]
Мелкие шлаки и шлаковая пыль, образующиеся в результате измельчения шлаков и подлежащие переработке в процессе плавки или переработке в другой отрасли (например, в строительстве), могут переноситься ветром, оказывая воздействие на более крупную экосистему. Его можно проглотить и вдыхать, создавая непосредственный риск для здоровья населения, проживающего вблизи заводов , шахт, свалок и т. д. [ 23 ] [ 24 ]
См. также
[ редактировать ]- Цикл кальция
- Циклическая экономика
- Клинкер (отходы)
- Дросс
- Летучая зола
- Шлак доменный молотый гранулированный
- Тяжелые металлы
- Мельничная окалина
- Пуццолан
- Ход (сварка)
- Подсказка
- Хвосты
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Пятак, Надин М.; Парсонс, Майкл Б.; Сил, Роберт Р. (2015). «Характеристики и экологические аспекты шлака: обзор» . Прикладная геохимия . 57 : 236–266. Бибкод : 2015ApGC...57..236P . doi : 10.1016/j.apgeochem.2014.04.009 . ISSN 0883-2927 .
- ^ Строуп-Гардинер, Мэри; Ваттенберг-Комас, Таня (24 июня 2013 г.). Переработанные материалы и побочные продукты при использовании на автомагистралях — краткий отчет, том 1 . дои : 10.17226/22552 . ISBN 978-0-309-22368-3 .
- ^ Соображения риска для здоровья при использовании неинкапсулированного стального шлака . Вашингтон, округ Колумбия: Издательство национальных академий. 17 ноября 2023 г. doi : 10.17226/26881 . ISBN 978-0-309-70011-5 . ПМИД 38190460 .
- ^ «Статистика и информация по металлургии» . www.usgs.gov . Проверено 27 ноября 2021 г.
- ^ «worldsteel | Документ с изложением позиции по попутной продукции сталелитейной промышленности» . www.worldsteel.org . Проверено 27 ноября 2021 г.
- ^ Фрюхан, Ричард (1998). Производство, обработка и обработка стали, производство стали и рафинирование (11-е изд.). Питтсбург, Пенсильвания, США: Стальной фонд AISE. п. 10. ISBN 0-930767-02-0 .
- ^ Цвирзен, Анджей (01 января 2020 г.), Сиддик, Рафат (редактор), «10 - Свойства SCC с промышленными побочными продуктами в качестве заполнителей» , Самоуплотняющийся бетон: материалы, свойства и применение , Серия публикаций Woodhead в области гражданского строительства и структурное проектирование, Woodhead Publishing, стр. 249–281, ISBN. 978-0-12-817369-5 , получено 26 ноября 2021 г.
- ^ Писториус, ПК (2007). «Плавка ильменита: основы» (PDF) . 6-я Международная конференция по тяжелым минералам «Назад к основам» : 75–84.
- ^ «Химический состав стекла в Древнем Египте Майки Брасса (1999)» . Проверено 18 июня 2009 г.
- ^ Нетингер Грубеша, Иванка; Баришич, Ивана; Фучич, Александра; Бансоде, Самитинджай С. (01 января 2016 г.), Нетингер Грубеша, Иванка; Баришич, Ивана; Фучич, Александра; Бансоде, Самитинджай С. (ред.), «4 – Применение доменного шлака в гражданском строительстве: мировые исследования» , Характеристики и использование стального шлака в строительстве зданий , Вудхед, стр. 51–66, ISBN 978-0-08-100368-8 , получено 27 ноября 2021 г.
- ^ Ортега-Лопес, Ванеса; Мансо, Хуан М.; Куэста, Исидоро И.; Гонсалес, Хавьер Х. (15 октября 2014 г.). «Долгосрочное ускоренное расширение различных ковшовых основных шлаков и их применение для стабилизации грунта» . Строительство и строительные материалы . 68 : 455–464. дои : 10.1016/j.conbuildmat.2014.07.023 . ISSN 0950-0618 .
- ^ Грубеша, Иванка Нетингер; Баришич, Ивана (04 августа 2021 г.). «Глава 7: Разнообразные применения шлаков в строительной отрасли». Металлургические шлаки . Химия в окружающей среде. стр. 194–233. doi : 10.1039/9781839164576-00194 (неактивен 06 мая 2024 г.). ISBN 978-1-78801-887-6 . S2CID 238965391 . Проверено 27 ноября 2021 г.
{{cite book}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на май 2024 г. ( ссылка ) - ^ «Высокоэффективный цемент для высокой прочности и исключительной долговечности от Константина Соболева» . Архивировано из оригинала 3 августа 2009 г. Проверено 18 июня 2009 г.
- ^ «Причиной разрыва автомобильных ремней ГРМ является износ, вызванный феррохромовым шлаком, или шлаком ОКТО» (по-фински). Геологическая служба Финляндии. 20 сентября 2022 г. Проверено 20 сентября 2022 г.
- ^ Гомес, Хелена И.; Мэйс, Уильям М.; Феррари, Ребекка (04 августа 2021 г.), «Глава 8: Применение шлака в окружающей среде» , Металлургические шлаки , Химия в окружающей среде, стр. 234–267, номер документа : 10.1039/9781839164576-00234 (неактивен 06 мая 2024 г.) , ISBN 978-1-78801-887-6 , S2CID 238967817 , получено 27 ноября 2021 г.
{{citation}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на май 2024 г. ( ссылка ) - ^ О'Коннор, Джеймс; Нгуен, Ти Банг Туен; Ханиандс, Том; Монаган, Брайан; О'Ди, Дэмиен; Ринклебе, Йорг; Вину, Аджаян; Хоанг, Сон А.; Сингх, Гурвиндер; Киркхэм, МБ; Болан, Нанти (2021). «Производство, характеристика, использование и полезное применение стального шлака в почве: обзор» . Журнал опасных материалов . 419 : 126478. Бибкод : 2021JHzM..41926478O . дои : 10.1016/j.jhazmat.2021.126478 . ISSN 0304-3894 . ПМИД 34323725 .
- ^ Дусе, Фредерик Ж. (01 февраля 2010 г.). «Эффективная способность стальных шлаков улавливать CO2 и изменчивость их поведения при выщелачивании с учетом карбонизации промышленных минералов» . Минеральное машиностроение . Специальный выпуск: Устойчивое развитие, сохранение ресурсов и переработка. 23 (3): 262–269. дои : 10.1016/j.mineng.2009.09.006 . ISSN 0892-6875 .
- ^ Романов Вячеслав; Сунг, Йи; Карни, Кейси; Раш, Гилберт Э.; Нильсен, Бенджамин; О'Коннор, Уильям (2015). «Минерализация углекислого газа: обзор литературы» . ХимБиоИнж Обзоры . 2 (4): 231–256. дои : 10.1002/cben.201500002 . ISSN 2196-9744 . ОСТИ 1187926 .
- ^ Рагипани, Рагхавендра; Бхаттачарья, Шанкар; Суреш, Аккихеббал К. (2021). «Обзор повышения ценности стального шлака посредством минеральной карбонизации» . Реакционная химия и инженерия . 6 (7): 1152–1178. дои : 10.1039/D1RE00035G . ISSN 2058-9883 . S2CID 236390725 .
- ^ Бранд, Александр С.; Фанихо, Эбенезер О. (19 ноября 2020 г.). «Обзор влияния типа сталеплавильного шлака на свойства цементных композитов» . Прикладные науки . 10 (22): 8210. дои : 10.3390/app10228210 . hdl : 10919/100961 . ISSN 2076-3417 .
- ^ «Некоторые эффекты углекислого газа на растворы и бетон» . Труды журнала ACI . 53 (9). 1956. дои : 10.14359/11515 . ISSN 0002-8061 .
- ^ Ла Плант, Эрика Каллагон; Мехдипур, Иман; Шортт, Ян; Ян, Кай; Симонетти, Данте; Боши, Матье; Сант, Гаурав Н. (16 августа 2021 г.). «Контроль минерализации CO2 с использованием природных и промышленных щелочных твердых веществ в условиях окружающей среды» . ACS Устойчивая химия и инженерия . 9 (32): 10727–10739. doi : 10.1021/acssuschemeng.1c00838 . S2CID 238670674 .
- ^ Перейти обратно: а б Эттлер, Войтех; Кирчак, Якуб (04 августа 2021 г.), «Глава 6: Воздействие частиц шлака на окружающую среду» , Металлургические шлаки , Химия в окружающей среде, стр. 174–193, doi : 10.1039/9781839164576-00174 (неактивно 6 мая 2024 г.) ), ISBN 978-1-78801-887-6 , S2CID 238952198 , получено 27 ноября 2021 г.
{{citation}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на май 2024 г. ( ссылка ) - ^ Перейти обратно: а б Эттлер, Войтех; Виткова, Мартина (04 августа 2021 г.), «Глава 5: Свойства выщелачивания шлака и выброс загрязняющих веществ» , Металлургические шлаки , Химия в окружающей среде, стр. 151–173, номер документа : 10.1039/9781839164576-00151 (неактивен в 2024–05 гг.) -06), ISBN 978-1-78801-887-6 , S2CID 238945892 , получено 27 ноября 2021 г.
{{citation}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на май 2024 г. ( ссылка ) - ^ Перейти обратно: а б Roadcap, Джордж С.; Келли, Уолтон Р.; Бетке, Крейг М. (2005). «Геохимия крайне щелочных (рН > 12) грунтовых вод в шлаконаполненных водоносных горизонтах» . Грунтовые воды . 43 (6): 806–816. Бибкод : 2005GrWat..43..806R . дои : 10.1111/j.1745-6584.2005.00060.x . ISSN 0017-467X . ПМИД 16324002 . S2CID 12325820 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Димитрова, С.В. (1996). «Сорбция металлов на доменном шлаке». Исследования воды . 30 (1): 228–232. Бибкод : 1996WatRe..30..228D . дои : 10.1016/0043-1354(95)00104-S .
- Рой, DM (1982). «Гидратация, структура и свойства доменных шлакоцементов, растворов и бетонов». Труды журнала ACI . 79 (6).
- Фредериччи, К.; Занотто, Эд; Цимат, ЕС (2000). «Механизм кристаллизации и свойства доменного шлакового стекла». Журнал некристаллических твердых тел . 273 (1–3): 64–75. Бибкод : 2000JNCS..273...64F . дои : 10.1016/S0022-3093(00)00145-9 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Виды шлака
- Шлак из электродуговой печи (ЭДП) , Агентство по охране окружающей среды США