Минералообразование в отходах металлургического производства

Разнообразие видов металлургических шлаков, являющихся ценным техногенно-минеральным сырьем, определяется разнообразными технологиями производства в черной и цветной металлургии.

Шлак представляет собой сплав окислов переменного состава; главные компоненты шлака — кислотный окисел Si0₂ и основные окислы CaO, FeO, MgO, а также нейтральные АЬОз и (реже) ZnO. Шлаки, которые образуются при реализации технологий производства железа и стали, могут, в самом общем виде, подразделяться иа три категории:

• • доменный шлак, образующийся при производстве чугуна или доменного чугуна в доменной печи;
• • стальной шлак, получаемый из кислородных конвертеров и электродуговых печей;
• • ковшовый рафинировочный шлак, образующийся при использовании технологий рафинирования стали в ковшах (Жило, 1974; Довгопол, 1978).

В черной металлургии образуются доменные, сталеплавильные, электроплавильные, ваграночные и ферросплавные (феррохромовые, ферровольфрамовые, феррованадиевые, ферромарганцевые, ферросилициевыс) шлаки (рис. 4.4.1).

При охлаждении и затвердевании шлаков образуются минералы, среди которых преобладают силикаты, присутствуют алюминаты, алюмосиликаты и сульфиды. Наиболее обычным минералом основных доменных шлаков является мелилит с преобладанием в нем геленитовой молекулы над окерманитовой в соответствии с незначительным, как правило, количеством оксида магния в доменных шлаках.

Минералогический состав основных мартеновских шлаков более разнообразен, чем доменных. Обычными минералами здесь являются: двукальцисвый силикат, мервинит, трсхкальцисвый силикат, монтичеллит, периклаз, свободные оксиды, шпинелиды различного состава, ферриты и алюмоферриты кальция, хромиты и феррихромигы кальция, алюминаты кальция.

Основными минералами в ферросплавных шлаках являются пироксен, мелилит, мервинит, шпинель.

В цветной металлургии при любом методе традиционной плавки с отвальными шлаками теряется до 5% Си, 50…70% Zn и 100% Fe. Для большинства этих шлаков характерно высокое содержание оксидов железа. Шлаки металлургического производства поступают в отвалы или после предварительной грануляции, или в горячем состоянии.

В составе конверторных медеплавильных шлаков главную часть составляют фаялит, магнетит, сульфиды. Шлаки от выплавки медного штейна в отражательной или в ватержакетной печах отличаются от конверторных шлаков более высокими концентрациями кремнезема, извести и отчасти глинозема и меньшим количеством оксидов железа. В минералогическом составе здесь к ортосиликату присоединены также пироксен, при высоких содержаниях оксида цинка — цинксодержащий фаялит, а в меньшем количестве — виллемит и цинксодержащая шпинель.

Рис. 4.4.1. Микрофотографии поверхности частиц доменного ишака разных фракций и увеличения:

а, бфракция < 0,63 мм; в-г — фракция 2,5…5.0; д, е — фракция > 20 мм.

Увеличение а, в, д- 1000, г — 2000, б-е — 3000 (Хоботова и др., 2002)

Основу гранулированного шлака составляет силикат железа — фаялит и стекло. В немагнитной фракции присутствует только стекло, в магнитной — магнетит. Обособление фаялита идет в электромагнитной фракции. Отдельные зерна представлены тонкозернистым агрегатом, рассеивающим свет, и с поверхности кажутся матовыми. Отличительной особенностью фаялита здесь является его слабая окрисгаллизованноегь (Макаров, 2006).

Шлак — вторичное сырьё для получения строительных материалов (например, шлакоситаллов), известковых и фосфорных удобрений, а также оборотный продукт в металлургии. Из доменного шлака производятся: гранулированный шлак, применяемый в производстве цемента и шлакоблоков; пемза — лёгкий заполнитель бетонов; щебень; литые изделия. Из сталеплавильных шлаков изготовляют щебень для дорожного строительства. Кроме того, они используются в аглодоменном и ваграночном производствах с целью извлечения содержащихся в них марганца, железа, окиси кальция. Ферросплавные шлаки перерабатываются на известковую муку, щебень и шлаковый песок для строительства, технологический порошок для литейного производства, часть их идёт на выплавку готовых сплавов. Для производства ферросплавов получают и специальные шлаки путём комплексной переработки руд и чугунов. Из природно-легированного чугуна целесообразно методом окисления переводить в шлак ванадий, марганец, ниобий и другие металлы, а затем использовать этот шлак для производства указанных металлов или их сплавов (Жило, 1974; Довгопол, 1978; Чайников, Крючкова, 1994).

В результате изучения темы «Минералообразование при высокотемпературном техногенезе» предлагается выполнить следующие лабораторные работы:

• • «Изучение минеральных образований в горелых отвалах угледобывающей промышленности»;
• • «Изучение вещественного состава отходов топливноэнергетического комплекса»;
• • «Изучение вещественного состава шлаков металлургических предприятий».