Доменные шлаки

Доменные шлаки, искусственные каменистые массы, получающиеся в качестве отхода при доменном процессе от сплавления содержащейся в руде пустой породы с флюсами шихты (известняки, доломиты, глинистые сланцы, песок, иногда фосфориты ит. д.—смотря по характеру доменного процесса) и золой применяемого горючего (кокс, древесный уголь).

Общие свойства. Д. ш. представляют собою сплавы (твердые растворы) силикатов, алюминатов, сульфидов и некоторых солей, особенно фосфатов, различных оснований, гл. обр. кальция, магния, железа, марганца. Получаясь в восстановительном пламени, Д. ш. содержат свободные закиси кальция, железа п марганца, растворенные, по Джексу (Jex), в смеси анортита (известковый полевой шпат) СаО· А1₂0₃-2 Si0₂ и волластонита CaO-Si0₂. При правильно ведущемся доменном процессе цвет шлаков—светлый («спелые шлаки»): светлосерый, белый, желтоватый, зеленоватый, синеватый ит. д., а при сыром ходе доменной печи—черный, от большого содержания железа. Текстура шлаков тоже изменчива и бывает стекловидной, камневидной и фарфоровидной, в зависимости от состава и быстроты затвердевания Д. ш. Теплота плавления 360-1-450 Cal, уд. вес Д. ш. около 2,8, объёмный вес и теплопроводность приведены в таблице 1. Состав Д. ш. весьма изменчив; предельные количества составляющих Д. ш., получающихся при выплавке нек-рых сортов чугуна, представлены в таблице 2. В зависимости от преобладания в составе оснований, фосфорной и кремневой к-т, Д. ш. бывают основными, фосфатными или силикатными. Наиболее часто доменный процесс дает именно силикатные шлаки. По числу, выражающему отношение содержания кислорода в кремнекислоте (Si0₂) к содержанию кислорода в основаниях RO (где R— двухвалентный элемент), согласно валовому анализу силикатных шлаков, они разделя:-ютея на виды, сопоставленные в таблице 3. Только две из этих степеней окремнения соответствуют действительным химии, соединениям: моносиликаты—ортосиликатам (на-прим. Ca₂Si0₄) и бисиликаты—метасиликатам (например CaSi0₃). Схематическое деление табл. 2 особенно хорошо отвечает продуктам металлургии цветных металлов, где содержание А1₂0₃ в шлаках бывает незначительно. При плавке на коксе Д. ш. близки к мо носиликатам (35—48% СаО, 30—38% Si0₂, 6—18% А1₂0₃, кроме того MgO, MnO, FeO, CaS); при плавке на древесном угле получаются по преимуществу бисиликаты. Богатые Si0₂ и А1₃0₃ шлаки близки к стеклам и при быстром застывании получают стекловидную текстуру; они не имеют определенной точки плавления и при нагревании сперва проходят через состояние размягчения и

Таблица 1, — Объемный вес и теплопроводность доменных шлаков и других материалов.

		Теплопроводность
Наименование материалов	Объемный вес, кг/м³	Средние ί°, °С	I Коэфф. теплопроводности Cal-.и ле²-°С-ч.
Шлаки доменные. То же, очень пористые, свободные, величина кусков	785	0	0,14
2—5 миллиметров. То же, величина ку-	360	0—20	0,088—0,090
сков 30 миллиметров. Шлаковая вата в виде толстой ткани, тепловой поток перпендикулярен к во-	360	0—20	0,12 —0,13 .
локнам. Шлаков, вата уплот-	290	30	0,0356
ненная.	200	30	0,0342
То же.	300	0	0,0495
То же.	300	50	0,055
То же.	300	100—200	0,065
То же.. Шлаковая вата ан-	—	От минус 16	0,072
глийскан. Шлаковая вата силь-	210	до плюс 18	0,037
но уплотненная. Шлаковая вата как изоляц. материал для водопроводов, в виде цилиндрич.	340	30	0,0367
покрышек.	400	50—200	0,61—0,0S0
Шлаковые кирпичи. То же при 16,6% по	1 400	15	0,400
объёму влажности	1 775	0—30	0,40—0,44
Шлаки котельные. Шлаки каменно-	750	0—20	0,13—0,14
угольные.	697	0	0,12
Бетон шлаковый. Бетон шлаковый из 9 об. ч. очень пористого шлака и 1 об.	871	20—60	0,245—0,255
части цемента. Бетонные кирпичи из шлакового бе-	550	20—90	0,19
тона.	1 115	0—20	0,218—0,255
То же. Бетонная стена из кирпичей шлаков, бетона, сложен, на извести, с обеих сторон оштукатур., общей толщ. 26 см, после 4-мес. возд.	1 250	0—10	0,26
сушки.	1 372	10	0,59

затем тягучести. Наиболее вязки шлаки, содержащие ТЮ₂; напротив, основные шлаки (богатые СаО и MgO), несмотря на более высокую ί°„., при нагреве обнаруживают меньшую вязкость; при отвердевании, особенно если охлаждение идет медленно, они выкристаллизовываются и приобретают текстуру каменистую; быстрое охлаждение дает шлаки очень хрупкие, подобные порт-ландским цементам.

Несмотря на сложность состава, Д. ш. во многих случаях могут рассматриваться как системы из трех компонентов—СаО, Si0₂ и

А1₂0₃, поскольку FeO при хорошем ходе процесса по незначительности содержания не имеет значения; содержание окислов других металлов невелико; щелочноземельные

Применение Д. ш. Выход Д. ш. приблизительно равен по весу выходу чугуна и в 2,5 раза превосходит этот последний по объёму. Использование огромного количества

Таблица 2.—С остав характерных видов доменных шлаков промышленности СССР (в %).

Составные части Род шлака	Si0₂	AI2O3	СаО	MgO	МпО	FeO	S	К2О + Na20
Шлак серого чугуна, выплавленного
на коксе .. Шлак серого чугуна, выплавленного	27—38	10—24	30—58	0,2—12	0,1—2,4	0,3—2,7	До 4	—
на древесном угле.. Шлак белого чугуна, выплавленного	45—68	5—22	20—45		0,8—1,1	0,2—5,7	До 0,2	До 2
на коксе ..	35—45	8—18	35—48		2-	-6	До 3	—
Шлак белого чугуна, выплавленного
на древесном угле.. Шлак марганцевого чугуна, выплавл.	48—55	10—18	25-	-30	3-	-6	Содержание S в
на коксе ..	29—31	8—14	33—41	8	15	—	виде CaS	—
Шлак ферросилиция..	33,1	^ 25	- 30	- 7	^ 0,4	0,3	^ 8	1

окислы, особенно MgO, м. б. пересчитаны на СаО. В отношении Д. ш. важно знать t° перехода их из одного состояния в другое. Эта задача сводится к изучению смесей трех главных окислов и распадается на изучение

Таблица 3. — Степени окремнения доменного шлака.

Технич. название шлака	Химич. характери стика	Формула валового состава	Отношение О в Si0₂к О в основании
Полукремне-земик.		4 RO-SiO,	1:2
Однокремне-земик.	Моносиликаты	2 ROSi0₂	1:1
Полутора- кремнеземик	(ортосиликаты) Полуторные	4 RO-3SiO,	3 : 2
Двукремне-земик.	силикаты Бисиликаты	RO-SiOi	2:1
Трикремне-земик.	(метасиликаты) Трисиликаты	2 RO*3SiO_a	3:1

трех двойных систем; диаграммы их представлены на фигуре 1—по Шеперду и Ренкину (А1_а0₃—Si0₂), фигура 2—по Шеперду, Ренкину и А. Л. Дену (СаО—Si0₂) и фигура 3 (СаО— А1₂0₃). Первая система дает одно химич. соединение (силлиманит), с t°_nA. 1 816°, и две ^{1 2}

S/Ο, го го бо Вес еЧ,

1 600 и 1 810°. Вторая система, практически наиболее важная, дает два химических соединения— CaSiO з с t°_njl

1 540° и Ca₂Si0₄ с Г_пл. 2130° — и евтектики с соответственными t°_n„

2 015°, 1 440° и 1 326^ь.

Третья система дает соединения; ЗСа0-А1₂0₃, плавящееся с разложением,5Са0-ЗА1₂0₃,с t°_njl. 1380°,СаО ·Α1₂0₃, с 1 590° и 3 СаО-5 А1₂0₃, плавящееся с разложением. Тройная система (фигура 4) указанных компонентов дает два тройных соединения: Ca0-Al₂0₃-2Si0₂ с Г_пл. 1 550° и соеди-

с ί°„, около 1 600°.

Д. ш. (в1910 г. мировое производство чугуна и стали выразилось числом 125 530 000 т, в России—5 390 000 тонн) представляет задачу большого экономического значения.

Применение Д. ш. основано на использовании различных технически ценных свойств их, а именно: способности отливаться и давать весьма твердый материал, вытягиваться

Si О,

в расплавленном состоянии тонкими и по застывании упругими нитями, давать с известковым раствором затвердевающие цемент-

Техник. свойства шлаков	Область применения	Род шлака	Главные требования	Способ производства
Механик, прокность и твердость	Мостовые, настилки макадамов	Силикатные шлаки	Механическ. прочность, отсутствие сернистых металлов	Непосредствен, использование
Отливаемость	Мостильный камень	Силикатные шлаки	Кислый, тягучий, бедный известью и богатый глиноземом, отсутствие сернистых металлов	Отливка врасплавл. виде и отжиг, медленное остывание
Отливаемость	Камни для массивов подводных сооружений	Силикатные шлаки	Механическ. прочность, химическая стойкость	Отливка в расплавленном виде и отжиг
Уминаемость полужидкой массы	Шлаковый кирпич	Силикатные шлаки	Кислый, тягучий, бедный известью и богатый глиноземом	Смешивание расплавлен. шлаков со шлаковым же пеком и уминание полужидкой массы в формы
Хрупкость при налипни твердости	Искусственный песок	Силикатпые шлаки	Твердость, механик, прочность, отсутствие металлов	Быстрое охлаждение, измельчение
Вытягиваемость в	Шлаковая вата для	Силикатные шлаки	Те же и отсутст-	Раздробление шлак.
нити	тепловой изоляции	древесноуг. печей	вие сернистых металлов	струи 0 10—15 миллиметров струей водяного пара
Содержание аморф-	Искусственные гид-	Основные шлаки	Отношение CaO:SiO,	Охлаждение огнен-
ной кремнекис-лоты	равлик. добавки, дающие шлак, цемент, настоящий шлаковый порт-ландский цемент, смешанный цемент	коксовых домен	не менее 1, малое содержание глинозема	ножидких шлаков в холодной воде (или в воздухе особыми приемами), помол, смешивание с известью, иногда обжиг и новый помол
Стекловидная тексту ра	Стекло	Силикатные шлаки	Малое содержание глинозема	Введение в шлаки щелочей и добавочной кремнеки-слоты
Прозрачность икра-сивый цвет	Искусств, драгоцен. камни	Силикатные шлаки		Выбор подходящих кусков и шлифовка
Содержание зерен кугуна	Добыча чугуна	Доменные шлаки серых чугунов из древесноуг. печей		Разбивание, промывка, переплавле-ние
Содержание железа	Добыча чугуна	Шлаки сварочных и тому подобное. печей как		»
Содержание фосфорной кислоты	Фосфорнокислые удобрения—тома-сова шлак, мука, (томасшлак)	руда для домен Шлаки, получаемые при томасирова-нии	-	Размол
То же	Фосфорнокислое удобрение—мартеновские шлаки	Шлаки, получаемые при мартеновании	Проведение процесса при введении извести, вообще избытка основа-	Размол
Цементирующая способность	Изготовление угольных брикетов	Основные доменные шлаки	ний	Смешивание угольной пыли с доменным шлаком и водой, прибавление отжимок сульфитного процесса обработки целлюлозы, брикетирование, просушка и обжиг (Г.П. 280455)
То же	Брикетирование различных руд, в частности пиритов	Осповные доменные шлаки		Смешивание руды с 10—20% шлака и 5—10% извести или глинистых веществ, брикетирование (Г. П. 80278); подобные же(Г.П. 252958,138812,277093 И т. д.)

ные массы, образовывать с битуминозными веществами упругие и прочные настилки дорожных полотен, давать растениям усвояемую фосфорную к-ту и т. д. Разнообразие состава Д. ш. благоприятствует возможности наиболее рационального выбора их в каждом отдельном случае. В табл. 4 сопо ставлены применения Д. ш. и главные требования на соответственный Д. ш.

Цементная промышленность. Наиболее широкое применение Д. ш. находят в цементной промышленности, куда идут более основные шлаки, состоящие из двойных силикатов извести и глинозема, в к-рых часть извести заменена магнезией и закисью железа, а часть глинозема—окисью железа. Наличие в них аморфной кремнекислоты дает им способность при смешении с известью и водой образовывать нерастворимые в воде гидраты силикатов и алюминатов, служащие в качестве цементов. Д. ш., идущие на гидравлические цементы, должны иметь отношение СаО : Si0₂ не менее 1. Наиболее выгодным отношением Са0:8Ю₂:А1₂0₃является 1:0,65: 0,35. Эти Д. ш. получаются гл. обр. при выплавке литейн. чугунов, имеют серый цвет и состав: 254-27% Si0₂, 84-20% А1₂0₃, до 1,5% Ре₂0₃, 444-52% СаО, 14-2% CaS0₄, до 3% MgO, до 3% МпО, до 3% CaS, до 2% FeO. Гидравличность их значительно повышается гранулированием (смотрите Грануляция шлака). Измельченный в тонкую муку шлак просеивают и смешивают с порошком гашен. извести (104-15%, в зависимости от основности). Такой продукт называется шлаковым цементом (пуццолановым цементом). Состав его: 544-60% СаО, 204-25% Si0₂, 0,64-5,0% MgO, 94-15% Al₂0₃+Fe₂0₃, 0,84-2,6% S0₃. Уд. в его ок. 2,8. Шлаковый цемент относится к числу медленно схватывающихся; применяется гл. обр. при постройке фундаментов и в подводных бетонных сооружениях. Сопротивление на разрыв у шлакового цемента без песка менее, чем у портландского, но растворы его с песком обладают нередко большим сопротивлением: сопротивление на разрыв по истечении 7 дней 144-19 килограмм/см², по истечении 28 дней 204-27 килограмм/см². Иногда из шлакового цемента формуют кирпичи, которые затем обжигаются в печах до спекания, измельчаются и после просеивания идут в упаковку. Такой продукт называется настоящим шлаковым портландским цементом; он не уступает по своим качествам настоящ. портландскому цементу. Наконец, встречается также т. н. смешанный цемент или железный портландский ценен т—смесь настоящего портланд. цемента (70%) с гранулированным Д. ш. (до 30%).

Тепловая изоляция. Д. ш., будучи во многих случаях весьма пористыми и состоя, кроме того, из вещества малой теплопроводности, применяются как непосредственно, так и в виде ваты или бетонов в качестве тепловой изоляции. В табл. 1 дана с относящихся сюда данных.

Искусственные камни и стекольная масса. Обладая большой твердостью и прочностью, Д. ш. дают хороший материал для производства искусственного строительного и мостильного камня. Производство ведется либо, отливкой (способ Вудворта) либо цементированием (способ Зейд-та). В первом случае шлак при ί° ок. 1 700° выливается в открытые сверху раскидные формы из литого чугуна, расположенные по окружности вращающегося горизонтального круга и при вращении его последовательно наполняющиеся расплавленной массой. Затвердевающая отливка поступает в особую печь для отжига,т. к. в противном случае образуются трещины. Стенки форм обмазывают известью, предохраняющей отливку от быстрого охлаждения и обеспечивающей отставание отливки от формы. По твердости этот искусственный камень не уступает граниту. Он применяется в особенности в Англии и идет на мостовые и как массивы для подводных сооружений. Существуют и другие способы отливки шлаковых камней. Для получения цементированных камней гранулированный Д. ш. смешивают с гипсом, известью и окалиной железа; полученная пластическая масса прессуется и с течением времени затвердевает на воздухе. Такие камни обладают твердостью и упругостью, допускают вбивание гвоздей, легко обтесываются, не крошатся и не разрушаются от мороза. С годами прочность и твердость их значительно возрастает (например, в 5 раз по прошествии трех лет сравнительно с камнями двухмесячными).

Д. ш. идет также на бетонные и другие смеси с различными цементами, в частности, например, с сорелевским магнезиальным (один из видов ксилолита). Вылитый в воду расплавленный Д. ш., или вспененный струей пара, дает искусственную пемзу, а при других приемах работ—и с к у с с т-венный мрамор. Другое применение Д. ш.—производство эмалей, глазури и полив для глиняных и метал, изделий, производство искусственных драгоценных камней (на Урале шлифуют различные подходящие по текстуре и цвету шлаки). Д. ш., близкие по составу к стеклам, идут также на стекольные заводы: варка шлаков со щелочами и кремнеземом дает бутылочное стекло. Использование Д. ш. как материала для искусственных силикатов требует предварительного обессеривания его прокй докрасна в воздушной струе, отмучиванием и вторич. прокй или выветриванием на воздухе.

Искусственное удобрение. Различные шлаки содержат в себе фосфорную к-ту, притом в легко усвояемой растениями форме, и потому служат важным видом с.-х. удобрений. Наиболее ценен в этом отношении шлак, получающийся при переработке чугуна на сталь при основном процессе по способу Томаса и Гилькрайста—тонкий порошок серо-бурого цвета, носящий название томасова шлака (томасшлак). Он содержит от 8 до 24% (обычно 17—18%) фосфорного ангидрида,в виде тетракальциевофосфорно-кислой соли (4Са0-Р₂0₅), растворимой в слабых к-тах. О значительности потребления этого шлака свидетельствуют следующие ч 1912 г.вЕвропе производилось4млн.т томасова шлака—в Германии 2,5 млн. т, во Франции 679 тыс. т, в Бельгии 534 тыс. т, в Англии 150 тыс. т, в остальных странах 150 тыс. т. Для удобрения применяются также мартеновские шлаки, искусственные фосфаты Уолтера (Wolter) или yn6opra(Wi-borgh), а в нек-рых случаях доменные. Однако, все они содержат меньшее количество фосфорного ангидрида, и потому подмесь их к томасову шлаку считается подделкой.

Получение чугуна. Зерна чугуна в нек-рых, особенно древесноугольных, шлаках иногда извлекают обратно путем раздробления шлаков, промывки и переплавки их. Шлак сварочных и тому подобное. печей поступает для переплавки в доменную печь.

Дорожное строительство. На постройку дорог идут кислые шлаки, которые получаются при выплавке томасова и переделочного чугуна.

А. Ю. Серн, руководствуясь германскими «Руководящими указаниями но производству и поставке Д. ш. в качестве дорожных строительных материалов» (1928 год), наметил следующие приемочные технич. условия: 1) дорожный шлаковый материал должен отличаться равномерным плотным и мелкокристаллич. сложением; стекловатые куски не должны превышать по весу 5% от общего количества; 2) щебень должен иметь по возможности кубич. форму п острые грани. плоские куски отбрасывают; 3) гигроскопичность шлака должен быть не более 3 % по весу; 4) явления распада в шлаковом щебне в общем недопустимы; количество распадающихся кусков во всяком случае не должно превышать 4%; 5) сопротивление сжатию, измеренпре на вырезанных из шлака кубиках, должно составлять не менее 1 200 килограмм/cat²; 6) вес 1 м¹ мелкого шлакового щебня при размере кусков от 3 до 6 сантиметров должен быть не менее 1 250 килограмм.

Лит.: Липин В. Н., Металлургия чугуна, железа и стали, т. 1, 2 изд., Л., 1925; Френкель В., Краткий курс металлургии на физ.-химич. основе, М.—Л.,1927; Б о ч в а р А.М., Утилизация доменных шлаков,СПБ, 1903; Дементьев К.Г., Технология строит, материалов, Киев, 1912; Прянишников Д. Н., Учение об удобрении, 5 изд., Берлин, 1922; Отрыганов, «Журнал опытной агрономии», СПБ, 1910; Л ю б а в и н Η. Н., Технич. химия,т. 3,ч.1, М., 1903; С е р к А. 10., Доменный шлак как дорожно-строит. материал, «МС», 1928, т. 3, 11—22, стр. 849: Г. П. 281349, 281444, 281474 и др. (отжиг шлаковых отливок); Passo w Н., Die Hochofenschlacke In d. Zementindustrie, Wurzburg, 1908; HoodF., «Techni-sche Rundschau», B., 1905, p. 145 (описание шлаковых камней); P r e i n d 1 M., «Tonindustrie-Ztg», В., B. 37, p. 2060; Mathesius, Physikal. u. ehem. Grund-lagen d. Eisenhiittenwesens, 2 Aufl., Halle a/S., 1924; Richtlinien f. d. Herstelluug u. Lieferung v. Hoch-oienschlacke ais Strassen-Baustoff, «St. u. E.», 1928, IS; J e n s c h E., «Z. ang. Ch.», 1895, Jg. 9, p. 222 (бутылочное стекло); E 1 1 w i t z, «Z. d. VDI», Jg. 57, p. 858, (строительн. применения); К г о p f, «Zement», Charlottenburg, 1921, p. 651 (воздействие различных агентов); «Jahresberichte liber d. Leistung d. ehem. Technologies, Lpz., 1886, p. 52 (таблица состава разных шлаков); Ostwald W., «Feuerungstechnik», Lpz., 1919, .Tg. 7, p. 77 (улучшение шлаков присадками); E lb er s H. D., «Techniker», Berlin—New York, 1883, p. 328 (улучшение шлаков); T e t m а у e г, «Jahresberichte liber d. Leistung d. chemischen Technologies, Leipzig, 1886, p. 579 (грануляция); J a n t-z e n G., «Stahl und Eisen», 1910, p. 824 (воздушная грануляция). П. Флоренский.