Гранулированный шлак
Гранули́рованый шлак, или граншла́к — мелкофракционный (<10 мм) сыпучий многокомпонентный материал, преимущественно стекловидный, получаемый быстрым охлаждением водой жидкого горячего шлака, образованного, например, во время выплавки чугуна в доменной печи или конвертере — граншлак с доставкой

Имеет хорошие вяжущие свойства. Используется, например, при производстве цемента как активная минеральная добавка. Кроме того, из граншлака производят молотый гранулированный шлак, который используется для производства бетона.

История

Шлак исторически был побочным продуктом металлургического производства. Доменные печи на рубеже XIX и XX веков выплавляли примерно 1 т шлака на 1 т чугуна. Большое количество шлака всегда вызывало проблему его утилизации. Он преимущественно вывозился в отвалы, где и накапливался. В настоящее время (2017), благодаря развитию обогащения железных руд выход доменного шлака составляет 200—500 кг на 1 т чугуна.[1]

Первое коммерческое использование гранулированного шлака относится примерно к 1859 году, когда его начали применять для производства кирпича. В второй половине 19 века были открыты вяжущие свойства граншлака и в конце 19 века он впервые был использован при производстве цемента. С конца 1950-х годов из доменного граншлака начали изготавливать молотый гранулированный шлак, который начали широко использовать в производстве бетонов в смеси с портландцементом.[2]

Свойства

Доменный гранулированный шлак представляет собой мелкозернистый сыпучий материал в виде стекловидных или кристаллических гранул со средним размером 2—8 мм. По своему виду напоминает песок. Плотность шлака, в зависимости от состава, составляет 2,8—3 г/см3.

Получение

Гранулированный доменный шлак получают из жидкого горячего доменного шлака быстрым охлаждением в струе воды. Шлак, из которого изготавливают граншлак, является побочным продуктом доменной плавки и состоит в основном из пустой породы железной руды.

Во время выпуска продуктов плавки из доменной печи выходят жидкий чугун и шлак. Жидкий шлак по шлаковом жёлобу устремляется к шлаковозу и дальше — до установки грануляции шлака, которая может находиться на расстоянии нескольких километров от печи. На многих доменных печах существуют установки припечной грануляции шлака, которые устанавливаются непосредственно у печи. В этом случае шлаковозы не используются, жидкий шлак стекает к установке и подвергается грануляции у печи.

Выход шлака на современной доменной печи составляет 200—500 кг на 1 т чугуна. Доменная печь большого объема выплавляет 8000—12000 т чугуна в сутки, поэтому годовой выход шлака на такой печи составляет более 1 млн тонн[1]. Поскольку мировое производство доменного чугуна составляет около 1,1 млрд т в год, то годовое мировое производство шлака может оцениваться в несколько сотен миллионов тонн. Далеко не все шлаки подвергается грануляции, часть его используется иным способом, например, охлаждается без воды, в результате чего получают отвальный шлак.

Выделяют три способа грануляции: мокрый, полусухой и сухой. Наиболее широко используется мокрая грануляция.

Мокрая грануляция

Мокрая грануляции основана на сливе жидкого шлака в воду. Быстро охлаждаясь, шлак превращается в зерна (гранулы). Для грануляции используют специальные бассейны, заполненные водой, с одной стороны которого проходит железная дорога для шлаковозов, а с другой — два пути для железнодорожных вагонов, в которые загружают гранулированный шлак. Для перегрузки гранулированного шлака в вагоны грануляционный бассейн перекрыт мостовым или козловым краном. При мокрой грануляции получаемый граншлак имеет влажность 15—30 %. Высокая влажность шлака увеличивает затраты на его перевозку и сушку[3].

Полусухая грануляции

Полусухой способ заключается в грануляции жидкого шлака небольшим количеством воды при одновременном механическом измельчении. При этом способе получаются гранулы, содержащие значительно меньше влаги, чем при мокрой грануляции. Полусухая грануляции осуществляется в барабанных агрегатах, гидрожёлобных и гидроударных установках. При полусухой грануляции образуется продукт, содержащий 6—10 % влаги. Наиболее эффективной является гидрожёлобная грануляция, приданое для грануляции шлаков различной основности[4].

Установки барабанной грануляции

На барабанных установках жидкий шлак из шлакового ковша сливается по лотику в приёмную ванну, в которой улавливается чугун, если он попал в ковш. Ванна устанавливается на тележке и в случае закозлення (накопление и застывание в ней чугуна) может быть заменена резервной. Из приемной ванны шлак через сливной носок попадает на барабан. На носок подается вода, вызывает вспенивание и частичное гранулирование шлака. При попадании на лопатки вращающегося барабана шлак разбивается и дополнительно дробится в пароводяной среде, образующейся вокруг барабана. Гранулированный шлак откидывается барабаном на значительное расстояние. В воздухе гранулы охлаждаются и окончательно твердеют. После грануляции шлак накапливается в виде кучи. Он перемешивается и с помощью скреперной лебедки подается в бункер, из которого загружается в железнодорожные вагоны[4].

Заливание струи шлака водой

Схема части установки, в которой происходит грануляция

Барабан для механического дробления шлака

Гидроударные установки

В гидроударных установках шлак дробится с помощью гидромонитора. Жидкий шлак из шлакового ковша сливается в приемную ванну, из которой он направляется в желоб, на конце которого устанавливается дозирующее устройство. Равномерная струя шлака из желоба попадает на несколько сильных струй воды, выбрасываемых из отверстий гидромонитора. При этом шлак разбивается на отдельные частицы, которые быстро твердеют и выпадают из потока воды[4].

Гидрожёлобные установки

Гидрожёлобные установки отличаются от гидроударных тем, что шлак дробится под высоконапорными струями воды не на выходе из жёлоба, а непосредственно в стационарном герметичном жёлобе[4].

Использование

Немолотый гранулированный доменный шлак, как правило, применяют при изготовлении цементов. Из него изготавливают также тротуарную плитку и шлаковую подстилку под неё[3].