ПЕРЕРАБОТКА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ОТХОДОВ ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧЕЙ В ЦЕМЕНТНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается возможность переработки металлургических отходов индукционных печей в качестве минеральной добавки к портландцементу. Проведён комплексный анализ химико-минералогического состава отходов, изучены физико-механические свойства цементов с различной долей добавки (5–25 %) на разных сроках твердения (3–180 суток). Результаты рентгенофазового анализа и ИК-спектроскопии показали, что отход индукционных печей содержит преимущественно железисто-силикатные фазы и способен проявлять пуццолановую активность после измельчения.

ABSTRACT

The paper considers the possibility of processing metallurgical waste from induction furnaces as a mineral additive to Portland cement. The complex analysis of chemical and mineralogical composition of wastes has been carried out, physical and mechanical properties of cements with different proportion of the additive (5-25 %) at different hardening periods (3-180 days) have been studied. The results of X-ray phase analysis and IR spectroscopy showed that the waste from induction furnaces contains mainly ferrous-silicate phases and is able to show pozzolanic activity after grinding.

Ключевые слова: портландцемент, литейный отход, пуццолановая активность, экологическая безопасность, утилизация, рентгенофазовый анализ, прочность, устойчивость, снижение CO₂.

Keywords: Portland cement, foundry waste, pozzolanic activity, environmental safety, recycling, X-ray phase analysis, strength, stability, CO₂ reduction.

Введение. Современное металлургическое производство сопровождается образованием значительных объёмов различного видов отходов. Индукционные печи, широко используемые в сталеплавильной промышленности, генерируют отходы футеровки – побочный продукт выплавки стали, который зачастую складируется на отвалах без эффективной утилизации [1]. Длительное хранение отходов чревато загрязнением окружающей среды: отходы содержат тяжелые металлы и другие токсичные элементы, способные вымываться в почву и грунтовые воды [3]. Кроме того, открытые отвалы пылят, занимают ценные земли и представляют опасность для экосистем. Таким образом, существует острая необходимость найти пути повторного использования этих отходов, превращая их из экологической проблемы в ценное сырьё.

Один из перспективных способов утилизации металлургических отходов – применение их в производстве строительных материалов, в частности портландцемента и бетона. Использование промышленных отходов (золы-уноса, доменного гранулированного шлака, кремнезёма и др.) в качестве добавок к цементным композициям уже доказало свою эффективность [2]. Такие добавки могут выступать в роли пуццолановых или гидравлических компонентов, улучшать некоторые свойства материала и одновременно решать проблему утилизации отходов. Отходы литейного производства пока применяется в строительной отрасли ограниченно – главным образом в качестве заполнителя (щебня, песка) [2]. Его использование непосредственно в составе цемента (в качестве минеральной добавки, частично заменяющей клинкер) изучено недостаточно, что определяет научную новизну данного исследования.

Материалы и методы. В качестве добавки исследован отход индукционных печей – отход местного сталелитейного производства. Образцы отхода отбирались из отвалов сталеплавильного цеха, где в качестве сырья используется лом чёрных металлов химические составы которых приведены в табл. 1. Для сравнения и изготовления контрольных образцов применялся промышленный портландцемент ЦЕМ I 42,5 (без добавок), соответствующий требованиям стандарта. Природный кварцевый песок фракции 0–2 мм использовался для приготовления цементно-песчаных растворов и бетонов при испытаниях прочности, водопоглощения и срока схватывания. Кроме того, для регулирования времени схватывания во всех цементных смесях содержалось ~5 % гипса (двуводного сульфата кальция), как это принято в технологии портландцемента.

Таблица 1 

Химический состав исходных материалов

Сравнительный анализ показывает, что отход, и гипсовый камень содержат значительное количество оксида кальция. Однако гипсовый камень характеризуется высоким содержанием сульфатов, что определяет его специфические физико-химические свойства. Отход индукционных печей содержит более разнообразный набор оксидов, включая кремний, алюминий, магний и другие, что может влиять на его применение в промышленности.

Для использования в цементных составах куски отхода были предварительно высушены при 105 °C до постоянной массы, а затем дроблены и измельчены в лабораторной шаровой мельнице. Помол продолжался до достижения тонкости, сопоставимой с цементом: удельная поверхность отходового порошка составила ~350–400 м²/кг (по методу Блэйн). Полученная отходная мука по величине частиц близка к портландцементному клинкеру и гипсу, что необходимо для равномерного распределения добавки в цементном веществе и участия в реакциях гидратации.

В лабораторных условиях были подготовлены опытные партии цементов, в которых определённая доля клинкера замещалась индукционным отходом составы которых приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Минеральный состав портландцементов

 Результаты и обсуждения. На графике (рис 1) показана зависимость времени начала и конца схватывания цементных систем от увеличения доли техногенных отходов в составе.

Рисунок 1. Влияние содержания отхода на сроки схватывания портландцемента

Начало схватывания. При увеличении содержания отходов от 0 до 25 % наблюдается постепенное удлинение времени начала схватывания — от 25 минут у контрольного состава (без добавок) до более 100 минут при 25 % отходов. Это указывает на замедление гидратационных процессов при повышенном содержании минеральных добавок.

Конец схватывания. Характер зависимости аналогичен, однако изменения более выражены: время окончания схватывания возрастает с 35 минут (без отходов) до более 400 минут при 25 % введённых отходов. Особенно резкий рост фиксируется уже при 5 % добавки, что свидетельствует о высокой чувствительности цементного камня к замещению клинкера.

Увеличение содержания отходов в составе портландцемента существенно удлиняет сроки схватывания. Оптимальное введение добавок должно учитывать баланс между экологической эффективностью и технологической пригодностью цементного камня.

На рисунке 2 представлены результаты испытаний пяти составов портландцементов, содержащих различное количество техногенных отходов (от 5 % до 25 %) при фиксированном содержании гипса (5 %).

Рисунок 2. Зависимость прочности портландцементов при изгибе и сжатии от срока твердения

Прочность при изгибе (слева). Для всех образцов наблюдается постепенное увеличение прочности с увеличением сроков твердения от 3 до 180 суток. Наибольшие значения прочности достигает образец 1 (клинкер + 5 % отходов + 5 % гипса), у которого к 180-м суткам прочность составила около 95 МПа. Увеличение содержания отходов выше 15–20 % приводит к снижению предела прочности, особенно на длительных сроках твердения.

Прочность при сжатии (справа). Динамика роста аналогична: прочность возрастает по мере увеличения возраста цементного камня. Наибольшие значения прочности при сжатии также отмечены у образца 1 (≈ 12 МПа на 180-е сутки). При увеличении содержания отходов наблюдается снижение прочности, что указывает на замедление гидратационных процессов и ухудшение структуры цементного камня.

Результаты демонстрируют, что оптимальная добавка отходов не должна превышать 10–15 %, поскольку при больших значениях существенно снижаются механические характеристики цемента.

Заключение. Проведённые исследования показали, что использование отходов индукционных печей в качестве минеральной добавки к портландцементу оказывает существенное влияние на его гидратационные и физико-механические свойства. С увеличением содержания отходов наблюдается удлинение сроков начала и конца схватывания цементного теста. Так, при введении 25 % отхода время начала схватывания возрастает более чем в четыре раза по сравнению с контрольным составом. Это указывает на замедление гидратационных реакций при повышенном содержании минеральной добавки. При испытаниях прочности установлено, что наибольшие значения при изгибе и сжатии достигаются у составов с минимальным количеством отхода (5 %), где предел прочности к 180-м суткам составил ~95 МПа (изгиб) и ~12 МПа (сжатие). При увеличении содержания отходов выше 15–20 % отмечается снижение прочностных характеристик, особенно на длительных сроках твердения. На основании анализа полученных результатов установлено, что введение отходов индукционных печей в количестве до 10–15 % является оптимальным, позволяя снизить расход клинкера без существенного ухудшения эксплуатационных свойств цемента. Таким образом, отходы индукционных печей могут рассматриваться как перспективное сырьё для цементной промышленности. Их применение не только способствует решению экологических проблем металлургических предприятий, но и обеспечивает частичное замещение клинкера в цементных системах, снижая углеродный след и повышая ресурсную эффективность производства.

Список литературы:

1. M. V. Deshmukh, N. R. Vidhate ”Analysis of Induction Furnace Slag of Ferrous Foundry” // IJSRD - International Journal for Scientific Research & Development| Vol. 2, - P. 126-142.
2. Mohammad Laeeque Ahmed, Muhammad Afzal Javed, Abdul Sami Qureshi “Benefits of Incorporating Induction Furnace Slag in Concrete as Replacement of Cement: A Case Study of Pakistan”// Mehran University Research Journal of Engineering & Technology Vol. 37, No. 4, 701-714 October 2018. -P. 701-714.
3. Qiang Zhao , Lang Pang , Dengquan Wang “Dverse Effects of Using Metallurgical Slags as Supplementary Cementitious Materials and Aggregate: A Review” // pmc.ncbi.nlm.nih.govhrcak.srce.hr
4. Электронный ресурс https://onlinelibrary.wiley.com/
5. Riad Morshed Rezaula , Raihan Atahara , Tahmeed Bin Tasnima , ASW Kurny, Rowshan Momtazb, Fahmida Gulshana “Reuse Of Induction Furnace Steel Slag As A Replacement Of Coarse Aggregate In Construction” Proceedings of the International Conference on Mechanical Engineering and Renewable Energy 2017 (ICMERE2017) 18 – 20 December, 2017, Chittagong, Bangladesh
6. Y. Mahendra, Mr. B. Siva Prasad “An Experimental Investigation On The Effect Of Induction Furnace Slag As Full Replacement Of Fine Aggregate And Partial Replacement Of Coarse Aggregate In M25 Grade Concrete” International Journal of Engineering Applied Sciences and Technology, 2019 Vol. 4, Issue 3, ISSN No. 2455-2143, P. 368-373
7. Электронный ресурс www.researchgate.net
8. Oluwaseun MARK, Anthony EDE , Chinwuba ARUM , Solomon OYEBISI “Effects Of Induction-Furnace Slag On Strength Properties Of Self-Compacting Concrete” Civil and Environmental Engineering Vol. 17, Issue 2, P. 513-527
9. ГОСТ 30744-2001. Цементы. Методы испытаний.
10. ГОСТ 10178-85. Портландцемент и шлакопортландцемент.
11. ГОСТ 310.3-76. Цементы. Метод определения времени схватывания.