Использование доменных шлаков в производстве гидравлических вяжущих, на основе ПЦ клинкера

Министерство образования и науки РФ

Казанский государственный архитектурно - строительный университет

 

 

 

 

 

 

 

 

Кафедра ТСМИиК

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

На тему: «Использование доменных шлаков в производстве гидравлических вяжущих, на основе ПЦ клинкера».

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                 Выполнил: ст. гр.06-401

                                                               Ахметов А.М.

                                                                                      Защищен______________

                                                                                  с оценкой_____________

                                                                            Руководитель курсовой работы:

                                                                         Красинникова Н.М.

 

 

 

 

 

Казань 2011

Содержание

 

Введение……………………………………………………………………….…..4

1. Шлаки и их свойства.………………………………………………….….…....5
2. Доменные шлаки…………………………………...……………….……...…..6

– химический состав………………………………………………………...7

– минералогический состав…………………………………………………8

– гидравлические свойства………………………………………………….8

3. Технологическая схема производства. Грануляция доменных шлаков.......10
4. Виды ПЦ клинкера на основе доменных шлаков...........................................13

– шлакопортландцемент  ………………....……………………..……........13

– сульфатно-шлаковый цемент……………………………………………19

– известково-шлаковое вяжущее…………………………………….…....22

5. Заключение……………………………………………………………………24

6. Список использованных литературных источников……………………….25

 

ВВЕДЕНИЕ

 

На производство одной тонны чугуна требуется в среднем 1,3 тонны железной руды , 0,75 тонны кокса, 0,25 тонны известняка и 4,0 тонны воздуха. Остальное - как мы можем видеть, остается в виде отходов, которые складируются в отвалах и приводят к загрязнению окружающей среды. Однако шлаки представляют собой весьма ценный продукт который можно и нужно использовать при производстве строительных материалов.

В начале 20 века производители чугуна начали искать возможные сферы применения доменного шлака – продукта, полученного  вместе с чугуном в доменной печи в виде расплава. В 1908 году компания «Карнеги Стил» начала исследование возможных областей применения доменного шлака.

В 1911 году в отчете компании «Карнеги Стил» - «Использование доменного шлака в производстве бетона» впервые обосновано говорилось о возможности использовать доменный шлак в производстве бетона.

К 1917 году стало очевидно, что шлак является ценным продуктом, и что  компаниям – производителям шлака  стоит объединиться для более  эффективного продвижения нового продукта.

За все время существования  человечества доменный шлак прошел путь от использования в дорожном строительстве (в качестве агрегата) в Античном Риме до ценного строительного материала с разнообразными сферами применения в наше время. Сейчас шлак находит широкое применение в строительной индустрии, включая: производство гранулированного доменного шлака, смешанного (многокомпонентного цемента), гидравлических закладок, монолитного и конструкционного бетона, асфальтобетона, гранулированного заполнителя, минеральной ваты, кровельного материала, стекла, проведения оструктуривания почвы и много другого.

В целом в настоящее время  перерабатывается около 84% доменных шлаков. Часть же шлака продолжает уходить в отвалы. Для складирования отходов и их хранения отчуждены тысячи гектаров полезных земель, на транспортировку шлака от доменных цехов до отвалов и их содержание ежегодно расходуется колоссальное количество денежных средств, загрязняется окружающая среда. Поэтому переработка шлака и его использование остается актуальной проблемой для экологии и всего агропромышленного комплекса.

 

Шлаки и их свойства

 

ШЛАК (от немецкого Schlacke) — металлургический расплав (после затвердения — камневидное или стекловидное вещество), обычно покрывающий поверхность жидкого металла. Формируется из пустой породы рудных материалов, из флюсов, золы кокса и т.д. Шлаками называют побочные продукты, получаемые при плавке черных и цветных металлов, сжигании твердых видов топлива, а также при электротермической возгонке фосфора.

Химический и минералогический состав шлаков в зависимости от состава пустой породы руды, топлива, вида выплавляемого металла и особенностей металлургического процесса, условий сжигания топлива и, наконец, условий охлаждения шлаков, колеблется в широких пределах. Многие разновидности металлургических, особенно доменных, шлаков по химическому составу приближаются к портландцементу   и   глиноземистому   цементу.   Поэтому  проблема рационального использования этих дешевых побочных продуктов различных отраслей промышленности в производстве вяжущих веществ давно привлекает внимание исследователей и практиков.

До последнего времени для производства вяжущих веществ применялись лишь гранулированные доменные шлаки. В последние годы ученые установили возможность изготовления вяжущих вешеств также из передельных шлаков черной металлургии, некоторых шлаков цветной металлургии, а также из электротермофосфорных и топливных гранулированных шлаков.

Однако темой моей курсовой работы является использование доменных шлаков в производстве гидравлических вяжущих, на основе ПЦ клинкера, поэтому рассмотрим доменные шлаки поближе.

 

Доменные шлаки

Доменные шлаки являются продуктами взаимодействия флюсов (карбонатов кальция и магния) с пустой породой железной руды и золой кокса. Железные руды наряду с окислами железа содержат то или иное количество примесей (кварцевый песок, глина, карбонаты кальция и магния, соединения фосфора и серы и др.), называемые в совокупности пустой породой. Некоторые из них — соединения фосфора и серы — вредно отражаются на качестве чугуна. Неорганические примеси есть и в топливе, загружаемом в домну для плавления руды. Поэтому в процессе доменного производства необходимо не только восстановить из окислов железо, но и освободить его от примесей, вносимых с рудой и топливом.

Так как  пустая порода в руде редко бывает легкоплавкой то для ее удаления в шихту вводят специальные добавки L- плавни (флюсы), способные образовывать с ней легкоплавкие соединения. В качестве плавней применяют обычно карбонатные породы — известняк, доломит и т. п.

В процессе плавки карбонаты вступают в химическое взаимодействие с компонентами пустой породы и минеральной части топлива, причем образуются легкоплавкие силикаты и алюмосиликаты кальция и магния. При 1400—1500° С эти соединения плавятся и в виде шлакового расплава, скапливающегося вследствие меньшей плотности над слоем чугуна, выпускаются из доменной печи.

Химический  состав доменных шлаков зависит от состава руды, плавней, вида применяемого топлива и выплавляемого чугуна (табл. 1).

Обычно  в состав доменных шлаков входят окислы СаО, SiО₂, A1₂O₃, MgO, FeO и сернистые соединения CaS, MnS, FeS, а иногда TiО₂ и соединения фосфора. В незначительных количествах встречаются в шлаках и другие окислы, существенно не влияющие на их свойства. Преобладающими в доменных шлаках являются СаО, SiО₂, Al₂О₃ и отчасти MgO, суммарное содержание которых достигает 90—95%.

По химическому  составу доменные шлаки отличаются от портландцементного клинкера лишь соотношением некоторых компонентов. Шлаки содержат повышенное количество кремнезема, частично глинозема и меньше окиси кальция.

В зависимости  от коэффициента качества и химического  состава шлаки разделяют на три  сорта (табл. 2).

Стандартом  не допускается в доменных гранулированных шлаках наличие плотных кусков и посторонних примесей. Химический анализ шлаков проводят по ГОСТ 5382-91.

 

Химический состав доменных шлаков. Окись кальция в доменных медленноохлажденных, закристаллизованных шлаках, как правило, полностью связана с кремнеземом и глиноземом в соединениях меньшей основности, чем в цементном клинкере, с образованием преимущественно двух-кальциевого силиката (2СаО • SiO₂), ранкинита (ЗСаО • 2SiO₂) псевдоволластонита α • CaO • SiO₂ и мелининта (твердых растворов геленита 2CaO • Al₂O₃ • SiO₂ и окерманита 2СаО • MgO • 2SiO₂). Если окиси кальция больше 44—46%, то закристаллизованные шлаки приобретают склонность к силикатному распаду: куски и зерна шлака со временем самопроизвольно превращаются в порошок. Это явление обусловлено полиморфным превращением моноклинического β • 2CaO • SiO₂ в ромбический γ • 2CaO • SiO₂, происходящим при температуре ниже 525° С и сопровождающимся уменьшением плотности.

Минералогический состав и структура  доменных шлаков. Структура и фазовый состав затвердевших шлаковых расплавов зависят от их химического состава, в частности от их основности и условий охлаждения.

При медленном  охлаждении, например в отвалах, основные шлаки почти полностью успевают закристаллизоваться. Они представляют собой конгломерат различных устойчивых соединений в кристаллическом виде, сцементированных небольшим количеством оставшегося стекловидного вещества переменного состава. Расплавы кислых шлаков даже при медленном охлаждении из-за быстрого возрастания их вязкости кристаллизуются в незначительной мере и после отвердевания представляют собой вещество со стекловидной структурой. При быстром охлаждении водой, водяным паром или воздухом расплавы основных шлаков кристаллизуются не полностью и имеют смешанную структуру.

Гидравлические свойства доменных шлаков. Даже при самом благоприятном химическом составе ни быстроохлажденные остеклованные, ни тем более медленноохлажденные закристаллизованные шлаки при обычных температурах (до 15—25°С) почти не проявляют активности во взаимодействии с водой и, следовательно, не твердеют.

Однако, как показывают исследования, в доменных шлаках как в кристаллической, так и в стекловидной фазе имеются составляющие, способные при раздельном или совместном воздействии на них механических, химических и тепловых факторов к взаимодействию с водой и гидравлическому твердению, которое обусловлено образованием новых нерастворимых в воде веществ. В частности, геленит 2CaO • Al₂O₃ • SiO₂, практически инертный при обычных температурах, под воздействием добавки в виде гидрата окиси кальция приобретает способность гидратироваться и давать при твердении в обычных условиях цементирующие новообразования в гелевидном состоянии типа гидрата геленита C₂AS • 8H₂O.

Окерманит — 2CaO • MgO • 2SiO₂ — в нормальных условиях и в нейтральной среде неспособен к гидратации. Под воздействием же гидрата окиси кальция, особенно в условиях водотепловой обработки в автоклаве при тех же температурах, он гидратируется с образованием гидросиликатов кальция— С—S-H(II).

Минерал портландцементного клинкера β • 2CaO • SiO₂ относительно медленно гидратируется и дает новообразования невысокой прочности.

Ранкинит 3CaO • 2SiO₂ при очень тонком измельчении медленно гидролизуется и гидратируется в обычных условиях. При автоклавной обработке под давлением 1,5—4 МПа (200—250° С) с добавками Са(ОН)₂ ранкинит взаимодействует с ним. Для улучшения вяжущих свойств в условиях автоклавной обработки к ранкиниту целесообразно добавлять окись кальция вместе с молотым кварцевым песком.

Ценность шлака или золы тем выше, чем больше содержание в них гидравлически активных фаз. При этом наличие определенного количества самостоятельно твердеющих фаз  (C₃S, алюмоферритов кальция, β • C₂S или основного шлакового стекла) обусловливает возможность использовать такие шлаки (с активизаторами твердения или без них) для изготовления бетонов, твердеющих в нормальных воздушно-влажных условиях. Если же этих фаз нет или они наблюдаются в небольших количествах, то необходимо вводить активизаторы твердения и применять водотепловую обработку при 95—100°С или даже при 175—200° С (в автоклавах). Введение в стекловидные шлаки небольших количеств щелочей и сульфатов как бы активизирует (возбуждает) их скрытые гидравлические свойства. В соответствии с видом вводимой добавки различают щелочную, сульфатную и комбинированную активизацию шлаков.

 

Грануляция доменных шлаков.

Поскольку у стекловидных шлаков гидравлическая активность повышенная, доменные шлаки, предназначенные для изготовления вяжущих веществ, гранулируют, т. е. быстро охлаждают водой,  паром или воздухом.

Способ  резкого охлаждения шлаковых расплавов  водой, открытый в середине XIX в., использовали вначале только для получения шлака в виде сыпучей массы, состоящей из небольших зерен (гранул), что позволяло легко перемещать его. В 1862 г. Ланген обнаружил, что гранулированный с помощью воды доменный шлак в тонкоизмельченном виде способен к гидравлическому твердению. В последующие годы было установлено, что быстрое охлаждение шлаковых расплавов и получение гидравлически активных гранулированных шлаков в стекловидном состоянии возможно также с помощью водяного пара, воздуха или совместного их воздействия.

В настоящее  время на металлургических заводах  применяют два способа грануляции шлаков — мокрый и полусухой.