УДК 691.434.7:666.76:691.33

АНАЛИЗ ТЕРМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ШЛАКОВ

Батынова Алина Алесандровна1, Тарасов Роман Викторович2, Макарова Людмила Викторовна3
1ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», студент
2ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», к.т.н., доцент
3ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», к.т.н., доцент

Аннотация
При изготовлении композиционных жаростойких материалов в качестве основного компонента вяжущего может использоваться молотый металлургический шлак. В статье рассмотрены основные физико-механические и термические свойства исследуемых шлаков.

Ключевые слова: термические свойства металлургических шлаков, шлак


ANALYSIS OF THE THERMAL PROPERTIES OF METALLURGICAL SLAGS

Batynova Alina Alexandrovna1, Tarasov Roman Viktorovich2, Makarova Ludmila Viktorovna3
1Penza State University of Architecture and Construction, student
2Penza State University of Architecture and Construction, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
3Penza State University of Architecture and Construction, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Abstract
In the manufacture of composite refractory materials as the main component of binder used metallurgical slag. The article describes the basic physical, mechanical and thermal properties of the investigated slag.

Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Батынова А.А., Тарасов Р.В., Макарова Л.В. Анализ термических свойств металлургических шлаков // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 1. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/01/43380 (дата обращения: 02.06.2017).

Использование молотого металлургического шлака в качестве вяжущего для изготовления композиционных материалов различного назначения подтверждено многочисленными исследованиями [1, 2]

Основным компонентом глиношлакового вяжущего, придающего прочность при его твердении (в присутствии катализатора), является шлак [3, 4]. Высокие физико-технические показатели были получены с использованием Липецкого шлака при соотношении последнего с наиболее пригодными по своим физико-механическим свойствам глинами, при соотношении компонентов Ш:Г=60:40 [4, 5, 6].

В данной статье шлак используется в качестве компонента жаростойкого вяжущего. В связи с этим особый интерес представляют сведения о термических свойствах различных шлаков и возможности связывания шлаками свободного гидроксида кальция выделяемого цементом в процессе нагрева вяжущего, состоящего из шлака и цемента.

Проведенные Н.А. Фомичевым [7] исследования на трех видах отвальных доменных шлаков: плотных с блестящей поверхностью (быстро охлажденных), плотных с матовой поверхностью (медленно охлажденных) и пористых показали, что значительное влияние на огненные свойства шлаков оказывает степень его кристаллизации (табл. 1). Лучшие показатели при этом имеет шлак с матовой поверхностью (степень кристаллизации 85-90%). Помимо этого им установлено, что тонкомолотый стекловидный шлак полностью связывает гидроксид кальция до температуры 400°С, в то время как другие требуют более высоких температур.

Таким образом, наихудшие термофизические свойства проявляет стекловидный шлак – у него минимальная огнеупорность в полтора раза ниже, чем у сильнозакристаллизованного шлака и в 7 раз ниже термостойкость в водных циклах. С другой стороны, сильнозакристаллизованные медленноохлажденные шлаки плохо поддаются щелочной активации при твердении и могут не обладать способностью к твердению, тем более при сильном наполнении их глинистым веществом.

В связи с этим, в отличие от использованных ранее более жаростойких и термостойких медленноохлажденных сильнозакристаллизованных шлаков в жаростойких цементношлаковых бетонах, нами были использованы гранулированные стекловидные шлаки, способные быстро отверждаться в композиции с глиной при минимальном содержании щелочного активизатора.

Ограничение минимального содержания щелочных активизаторов, в частности, NaOH и KOH, связано с понижением температуры размягчения композиций этими плавнями.

Таблица 1. Влияние фазового состава натурального доменного шлака на его жаростойкие свойства [7]

Шлак

Огнеупорность, °С

Степень кристаллизации, %

Температура деформации под нагрузкой

Средние коэф-ты линейного расширения в интервале до 1000°С

Термостойкость в водных циклах

начало

конец

Плотный с блестящей поверхностью

1150

3-5

760

860

11,94×10-6

1

Плотный с матовой поверхностью

1080

85-90

-

1260

11,0×10-6

7

Пористый (вспученный)

1100

65-70

-

1230

11,67×10-6

3

Относительно реакционной способности доменных шлаков Фомичев Н.А. отмечает, что тонкомолотый шлак стекловидной структуры достаточно полно реагирует с CaO уже при сушке, а при нагревании до 400ºС CaOсв связывается полностью [7]. Меньшая реакционная способность наблюдается у шлаков с матовой поверхностью (степень кристаллизации-85-90%). После сушки содержание CaO=1,2%. Нагрев до 400ºС уменьшает это количество до 0,52%, что вызвано, по мнению Н.А. Фомичева, диссоциацией неустойчивых гидросиликатов кальция.

В данной работе использовалась различная химическая активизация молотых шлаков для выявления наиболее эффективной, определяющей повышенную термостойкость. В качестве активизаторов твердения использовались едкий натр NaOH, жидкое стекло, сода Na2CO3 и известь Ca(OH)2. Последние три активизатора оказались менее эффективными с точки зрения обеспечения протекания процессов гидратации в шлаках и набора прочности при твердении. Однако основной целью подбора вида щелочного активизатора служила не прочность композита, а его поведение в условиях высоких температур и при теплосменах. Большие надежды при этом возлагались на жидкое стекло, используемое в качестве вяжущего для жаростойких бетонов.

Как показали проведенные эксперименты, наилучшим активизатором для твердения шлака и повышения термостойкости его служит едкий натр NaOH. Введение NaOH в шлаковую или глиношлаковую систему в количестве 2% от массы вяжущего обеспечивает высокие показатели прочности – Rсж=65 МПа для прессованных ГШ композитов и придает им достаточно высокую термостойкость до 6-8 циклов водных теплосмен.

Термическая стойкость определялась по ГОСТ 20910-90 на образцах-кубиках 7´7´7 см. Предварительно высушенные образцы подвергались нагреву до 800°С с выдержкой при конечной температуре в течение 40 мин., после чего вынимались из печи, погружались в воду с t=20-22°С и охлаждались в ней в течение 5 мин. После выдержки образцов на воздухе в течение 15 мин повторялся следующий цикл. Испытания продолжаются до полного разрушения образцов или до потери ими 20% массы.

Введение силиката натрия в количестве 3-6% от массы вяжущего в пересчете на сухое вещество, а также в смеси со щелочью в количественном соотношении NaOH:жидкое стекло = 1%:1% и 3%:3% от массы вяжущего приводит к резкому снижению термостойкости.

Образцы из чистого шлака, активизированного жидким стеклом, с прочностью 12-15 МПа, вопреки ожиданиям, разрушились при первом цикле нагрева-охлаждения. Глиношлаковые образцы, затворенные смесью NaOH и жидкого стекла, разрушаются после 2-3 циклов. Чем выше содержание жидкого стекла, тем ниже термостойкость. Объяснением этого может служить увеличение коэффициента термического расширения при введении жидкого стекла и уменьшение теплопроводности стеклообразной связки.

Были проведены исследования по определению пригодности других видов шлаков для использования в жаростойком глиношлаковом вяжущем: шлак ЭТФ «Тольятти» и ваграночный шлак «Пензтяжпромарматура». Шлаки были подвержены помолу до удельной поверхности Sуд=300-330 м2/кг, Иссинская глина до Sуд=496 м2/кг. Все составы затворялись водощелочным раствором NaOH (содержание NaOH – 2% в пересчете на сухое вещество) до влажности смеси пресспорошка 12%. Шлаковые и глиношлаковые образцы прессовались при удельном давлении 20 МПа с последующим твердением в воздушно-влажностных условиях. Составы и результаты испытания представлены в табл. 2.

Как показали проведенные эксперименты, активизированные гранулированные металлургический и шлаки ЭТФ, литой ваграночный шлак обладают достаточно высокой активностью и дают возможность получения материала с высокой прочностью (табл. 2). Однако термостойкость шлакового камня на основе исследованных шлаков не превышает 1-2 циклов водных теплосмен.

Таблица 2. Физико-механические свойства гранулированных шлаков и глиношлаковых композитов на их основе.

п п

Состав вяжущего, %

Плотность в сух. сост., r, г/см3

Прочность в высушенном состоянии,

Rсж, МПа

Термо-стойкость, цикл

Потеря прочности после прокаливания, %

1

Липецкий шлак-100%

1,95

56,0

2

69,64

2

ЭТФ «Тольятти»-100%

1,79

46,3

1

73,93

3

Шлак «Пензтяжпром-

арматура»-100%

1,86

68,8

1

76,70

4

Липецкий шлак:Иссинская глина = 60:40

2,03

47,6

8

15,00

5

Шлак «Пензтяжпром-

арматура»: Иссинская глина = 60:40

2,09

57,11

3

53,77

Шлак ЭТФ менее стоек в условиях резкой водной смены температур от 800°С до 20°С. Часть образцов разрушалась на 1 цикле испытаний с сильным треском и почти мгновенным разрушением образца. Шлак “Пензтяжпромарматура” разрушился на второй цикл испытаний. Максимальной термостойкостью обладает молотый Липецкий гранулированный шлак – 2 цикла. Подтверждением того, что шлак ЭТФ и “Пензтяжпромарматура” менее пригодны для изготовления жаростойкого глиношлакового вяжущего, может служить тот факт, что их смеси с глиной в соотношении 60:40 не обладают высокой термической стойкостью, в то время как аналогичный состав на основе Липецкого шлака выдерживает до полного разрушения 8 циклов водных теплосмен.

Потеря прочности после прокаливания (остаточная прочность) является важным свойством, позволяющим оценить возможность длительной эксплуатации материала в условиях высоких температур. Потеря прочности после прокаливания оценивается по ГОСТ 20910-90 посредством испытания бетона на прочность после нагрева до температуры 800°С с последующим остыванием вместе с печью до комнатной температуры. После остывания образцы помещаются на сетчатый стеллаж, расположенный в ванне над водой, где выдерживаются в течение 7 суток.

Потеря прочности после прокаливания у чистых шлаков находится приблизительно на одинаковом уровне, в пределах 69-77% (табл. 2). В смеси с глиной шлак “Пензтяжпромарматура” приводит к более сильному разупрочнению структуры (53,77%), в то время как потеря прочности после прокаливания образцов на основе Липецкого гранулированного шлака составляет 15%.

Другой вид доменных шлаков – отвальные – также был исследован на пригодность в качестве компонентов глиношлакового вяжущего. Липецкий отвальный шлак был подвержен помолу до Sуд=350 м2/кг и затворен водощелочным раствором (2-6% в пересчете на сухое вещество). Как и предполагалось, данный вид шлака обладает крайне низкой гидравлической активностью. Прочность образцов, отформованных с 2% NaOH при удельном давлении 20 МПа и при влажности смеси 10%, составляла на 28 сутки всего 6 МПа. Увеличение содержания щелочи до 6% и содержания воды до 17% привело к еще более резкому снижению темпов набора прочности. На 95 сутки твердения прочность на сжатие составила 5 МПа.

Таким образом, исследования показали, что среди исследованных шлаков наиболее пригодным для использования в качестве компонента жаростойкого глиношлакового вяжущего является Липецкий доменный гранулированный шлак, в котором содержание CaO находится на среднем уровне и не превышает 41%, имеется повышенное количество оксида магния (9,37%) и достаточное количество оксида алюминия (9,52%).


Библиографический список
  1. Калашников, В.И. Новый жаростойкий материал для футеровки промышленных печей [Текст] /  В.И. Калашников, В.Л. Хвастунов, Р.В. Тарасов, Д.В. Калашников // Строительные материалы. – 2003. – №11. – С.40-42.
  2. Королев, Е.В. Выбор шлака для радиационно-защитных композитов на шлакощелочном вяжущем [Текст] /  Е.В. Королев, Р.В. Тарасов, А.С. Сомкин // Научно-технический журнал «Региональная архитектура и строительство». – Пенза, раздел: Строительные материалы и изделия. – 2011. – №2. – С.30-35
  3. Глиношлаковые строительные материалы /В.И. Калашников, В.Ю. Нестеров, В.Л. Хвастунов и др.; Под общ. ред. д-ра техн. наук, проф. В.И. Калашникова. – Пенза: ПГАСА, 2000. -  207 с.: ил.
  4. Тарасов, Р.В. Эффективный жаростойкий материал на основе модифицированного глиношлакового вяжущего [Текст] / Р.В. Тарасов: канд. диссертация. –  ПГАСА, 2002.-150 с.
  5. Слепова, И.Э. Оценка возможности использования глин месторождений Пензенской области для производства керамической продукции [Текст] / И.Э. Слепова, Р.В. Тарасов, Л.В. Макарова // Современные научные исследования и инновации.- 2014.- № 8 [Электронный ресурс].- URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/08/37211 (дата обращения: 20.08.2014).
  6. Блохина, Т.П. Оценка воздушных и огневых усадочных деформаций глин месторождений Пензенской области [Текст] / Т.П. Блохина, Р.В. Тарасов, Л.В. Макарова // Современные научные исследования и инновации.- 2014.-№ 8 [Электронный ресурс].- URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/08/37254 (дата обращения: 25.08.2014).
  7. Фомичев, Н.А. Жаростойкие бетоны на основе металлургических шлаков. [Текст] / Н.А. Фомичев.- М. Стройиздат, 1972.


Все статьи автора «Макарова Людмила Викторовна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: