Они находят широкое использование в дорожном строительстве, общестроительных работах при подготовке территорий, при производстве строительных материалов и изделий. Однако объемы шлаков и продуктов их переработки (щебня и гранулированного шлака), которые скапливаются у ведущих производителей металла в Украине, значительно превышают потребности традиционных потребителей в области строительства, и металлургические предприятия вынуждены искать новые направления использования шлаковой продукции.

Таким направлением может быть строительство природоохранных объектов и проведение рекультивационных работ, необходимость которых вызвана в первую очередь деятельностью предприятий горнометаллургического комплекса. Процессы добычи и переработки руды, угля, шихтовых материалов оказывают негативное влияние на все компоненты окружающей среды и приводят к глубокому изменению ландшафтов. Для территорий в местах разработки полезных ископаемых серьезным источником экологических проблем стали глубокие и обширные карьерные выемки. Проведение технического этапа рекультивации этих земель требует большого объема грунтовых материалов. Накопители хвостов обогащения полезных ископаемых, шламов газоочисток, промышленных стоков являются в настоящее время обязательными элементами комплексов очистных сооружений обогатительных и перерабатывающих предприятий. Создание емкостей накопителей требует возведения ограждающих дамб, перегораживающих плотин, защиты их откосов от ветрового воздействия, и таким образом эти объекты промышленной гидротехники являются весьма материалоемкими сооружениями.

Металлургические шлаки являются продуктом технологических процессов, переработки, а также распада сталеплавильных и доменных шлаков и представляют собой смесь крупнообломочных, песчаных, пылеватых частиц. При содержании в смеси более 50% зерен размером более 2мм материал относят в соответствии с ДСТУ Б В. 2.1-2 [12] к искусственным грунтам крупнообломочного состава, в случае преобладания в ее составе мелких частиц - к типу песчаных грунтов. К этому типу могут быть отнесены и доменные гранулированные шлаки.

По химико-минералогическому составу шлаки представляют собой сложные магниево-кальциевые системы, включающие примеси различных соединений, в том числе силикатов и оксидов железа. Соотношение CaO+MgO/SiO2+Al2O3 (модуль основности) у металлургических шлаков Украины превышает 1 и достигает в некоторых случаях величины 3,4. Шлаки активно реагируют с водой и растворенными в ней компонентами с повышением величины показателя рН и выходом в раствор некоторых шлакообразующих элементов. Процесс гидролиза идет до образования на поверхности шлаковых зерен пленки вторичных минералов, важнейшими среди которых являются карбонаты и гидросиликаты кальция. С формированием последних связана присущая шлакам, преимущественно доменного производства, способность к самоцементации (гидравлическая активность шлаков) [1, 11, 12].

Анализ данных о строительных свойствах металлургических шлаков Украины и опыта использования их в промышленных гидротехнических и других природоохранных объектах показал широкий диапазон возможностей применения их взамен естественных каменных и грунтовых материалов, а также бетонных элементов конструкций [11].

Высокие значения угла внутреннего трения (до 500 и более) как в сухом, так и в водонасыщенном состоянии, плотность укладки шлаков в сооружении, достигающая 2100кг /м3 в сухом состоянии, диапазон прочностных и деформационных характеристик материала позволяет использовать его для отсыпки упорных призм при строительстве дамб обжатого профиля.

Крупнообломочная шлаковая смесь характеризуется хорошей проницаемостью (для исследованных сталеплавильных шлаков на основании расчетных и экспериментальных данных значение коэффициента фильтрации при установившемся ламинарном режиме составляет 0,6 - 1 см/с), что позволяет проектировать из этого материала фильтрующие элементы промышленных гидротехнических сооружений.

Шлаки сталеплавильного производства обладают высокой плотностью в куске, и крупные фракции шлака или рядовая шлаковая смесь с высоким их содержанием может быть использована для устройства крепления откосов емкостей различного назначения.

Рядом промышленных предприятий и проектных организаций в Украине (металлургическими комбинатами "Азовсталь", им. Ильича, "Запорожсталь", научно-производственным объединением "Экво" и др.) на-коплен значительный опыт использования шлаков при строительстве и реконструкции сооружений гидротехники. На комбинате им. Ильича (г. Мариуполь) дамбы из шлаков высотой от 11 до 19 м были отсыпаны для формирования емкостей шламонакопителей цеха холодной прокатки, мартеновского, конвертерного, аглофабрики комбината, которые эксплуатируются с 1963-1975 гг. Мартеновские и конверторные шлаки комбината использованы также для крепления откосов пруда-осветлителя и Старо-Крымской фильтровальной станции, используемых в системе технического водоснабжения комбината.

Шлаки различных металлургических предприятий использованы вместо щебня и камня естественных пород для крепления от размыва ветровыми волнами откосов дамб, речных берегов, различных прудов-отстойников и накопителей на Горловском химкомбинате "Стирол", Новомосковском трубном заводе, Центральной обогатительной фабрике "Павлоградская", Днепровском алюминиевом заводе и других предприятиях.

Для создания противофильтрационного экрана по всей чаше накопителя на Днепровском алюминиевом заводе использованы мелкие фракции активного доменного шлака, которые были укатаны в увлажненном состоянии.

Широко используют шлаки для строительства промышленных гидротехнических сооружений на комбинате "Азовсталь". Золонакопитель ТЭЦ комбината, накопители шламов газоочистки доменного и сталеплавильных цехов комбината располагаются в прибрежной части Азовского моря и эксплуатируются на протяжении 30-50 лет. Дамбы, формирующие емкости этих сооружений, выполнены из доменных и сталеплавильных шлаков комбината и показывают хорошую стойкость в условиях воздействия морской воды.

Для снижения негативного воздействия комбината "Азовсталь" на акваторию в конце 80-х годов в Азовском море на участке, примыкающем к территории цеха шлакопереработки, была построена защитная фильтрующая дамба. Тело дамбы протяженностью около двух километров выполнено из конвертерных, мартеновских, доменных шлаков, ее откос со стороны моря укреплен наброской из рваного камня кристаллических горных пород.

Функцией дамбы была защита берега от размыва морскими волнами и выноса твердых отходов комбината "Азовсталь" в море, образование буферной емкости для организации оборотного водоснабжения отделения шлакопереработки и складирования производственных отходов. Проектное решение предусматривало возможность поддерживать определенную разность уровней воды в буферном пруду и открытом море, обеспечивающую приток свежей морской воды в пруд через фильтрующую дамбу путем забора из пруда воды для нужд технического водоснабжения. Это позволяло бы предотвратить поступление загрязненных стоков с территории комбината "Азовсталь" в Азовское море. Кроме того, дамба выступает также в роли защитного барьера, препятствующего перемещению в открытое море донных отложений, скопившихся на данном участке в результате проведения дампинга, связанного с дноуглубительными работами [6, 7, 12].

Шлаки могут быть использованы при возведении берегозащитных сооружений прерывистого типа в качестве одного из используемых разнородных грунтов, а также в виде защитных устройств типа габионов [8].

Интересные конструктивные решения могут быть найдены при выборе способов консервации опасных отходов производства с использованием шлаков, учитывая их специфические свойства - способность к самоцементации и подщелачиванию среды при взаимодействии с жидкостью. В рабочем проекте консервации накопителя отходов химических цехов ОАО "Баглейкокс" (г.Днепродзержинск) предусмотрена засыпка емкости существующего накопителя доменным шлаком в количестве, достаточном для заполнения водных слоев и частичного погружения в донный вязкопластичный продукт. Формирование бетона на кислых обводненных органических продуктах в присутствии избыточного количества извести, достаточного для нейтрализации кислой смолки с образованием сульфата кльция, который является активатором гидравлических свойств отвального доменного шлака. Взаимодействие шлаковых минералов с водной и органической частью вязкопластичных смолистых отходов приведет к образованию таких соединений, как гидросиликаты и гидроалюминаты кальция, крезолят, нафтолят кальция и в целом композиции, которую можно отнести к шлакобетонам класса В15 с коэффициентом фильтрации порядка 1*10 -8 м/сут. В результате этих процессов обеспечивается консервация токсичных отходов, предотвращается их фильтрация через ложе накопителя и подготавливаются условия для последующей рекультивации территории расположения накопителя.

При возведении из отходов углеобогащения плотин и дамб, ограждающих накопители сточных вод и другие промышленные водоемы, для повышения устойчивости сооружения при одновременной защите вод от загрязнений, выщелачиваемых из этих отходов, предлагается использовать их в сочетании с основными шлаками. Сооружение возводится послойно: ядро - из отходов углеобогащения с плотностью частиц породы равной 3,0 - 3,2 г/ см 3, а верховой и низовой клинья - из основных шлаков металлургического производства с плотностью частиц 3,3-3,6 г /см 3. Соотношение массы металлургических шлаков и отходов углеобогащения в сооружении зависит от концентрации серы в отходах и от основности шлаков и рассчитывается по формуле, которая приводится в описании изобретения [5].

При использовании шлаков в строительстве для стабилизации гранулометрического состава слитых из ковшей и затвердевших шлаков они должны быть выдержаны в течение 0,5 - 1 года в отвалах или на специально подготовленных площадках с организацией отвода профильтровавшихся через них атмосферных осадков. Процесс стабилизации ускоряется при дополнительном поливе материала.

Таким образом, в результате выполненных исследований и накопленного практического опыта показано, что шлаки черной металлургии могут находить широкое применение при строительстве объектов природоохранного назначения взамен естественных грунтовых материалов. Особенно важным является использование их в сооружениях промышленной гидротехники и при консервации отработанных выемок, которые являются весьма материалоемкими объектами. Сравнение удельного потребления щебня и заменяющего его шлака при дорожном строительстве и возведении дамбы приведено на рисунке [2].

Взаимоотношения между производителями шлаковой продукции и ее потенциальными потребителями осложняет недостаточный уровень развития нормативной базы, которая бы регламентировала требования к шлакам при использовании их в этой специфической области строительства.

В 2005 году впервые разработаны и введены в действие в Украине технические условия на шлаки комбината "Азовсталь" и комбината им. Ильича при использовании их в промышленной гидротехнике [9, 10].

В зависимости от комплекса присущих им свойств шлаки подразделены на ряд марок, которые должны отвечать определенным требованиям относительно зернового состава, насыпной плотности, морозостойкости, гидравлической активности и некоторых других свойств этих материалов. В документе приведены указания относительно видов гидротехнических сооружений и их элементов, в которых могут быть использованы шлаки определенных марок. В справочном приложении к документу содержится характеристика физико-механических и фильтрационных свойств шлаков разных марок.

В документе сформулированы природоохранные требования, которые должны выполняться при использовании шлаков в гидротехническом строительстве и при рекультивационных работах с учетом специфики свойств материала.

Преимущества использования металлургических шлаков в сфере природоохранной деятельности взамен естественных материалов состоят в следующем:

• низкая стоимость материала (для шлаков, накопленных в отвалах, она фактически определяется затратами на перевозку до места строительства),

• возможность выполнять из шлаковых материалов различные элементы конструкций (упорные призмы, фильтрующие насыпи, противофильтрационные элементы) благодаря разнообразию их свойств,

• высвобождение площадей из-под отвалов у предприятий-производителей,

• возможность экономии природных ресурсов и снижения нагрузки на природную среду в районах добычи полезных ископаемых.

Для реализации этих подходов производителям необходимо не только активизировать работу по стандартизации и сертификации шлаковой продукции, но и серьезное внимание уделять маркетингу рынка сбыта в этой сфере и обеспечить рекламу шлаковых материалов, в том числе с привлечением Интернет ресурсов.

Литература:

1. Брызгунов К.А., Гаврилова О.Н. Металлургические шлаки Донбасса. - Донецк, 1989.

2. Золотарева М.И. Анализ жизненного цикла металлургических шлаков на примере ММК им. Ильича // Работа магистра по направлению "экология и охрана окружающей среды". Рук. к.т.н. Свиренко Л.П. - Харьков: Национальная Академия Городского Хозяйства, 2006.

3. Кудрин В. А. Теория и технология производства стали. - М.: “Мир”, ООО “Издательство “АСТ”,2003. - 528 с.

4. Назюта Л.Ю., Лактионова О.Е., Рыбко А.С. Затраты в производственно-сбытовых логистических системах: механизмы управления: Монография / НАН Украины. Институт экономики промышленности. - Донецк, 2004.- 297 с.

5. Ремизов В.И., Саратов И.Е. и Свиренко Л. П. Авторское свидетельство SU 1781368 СССР, кл.E 02 В 7/06. 1992

6. Свиренко Л. П., Цыганков В. Н., Чуев Е. В., Мойсюк Н.Н. Роль ограждающей дамбы буферного пру-да комбината "Азовсталь" в защите прибрежной части Азовского моря./ Сб. тезисов докл. 3-й международной научно-практической конференции "Сотрудничество для устойчивого решения транспограничных, межрегиональных и местных проблем оздоровления окружающей природной среды, развития предпринимательства". Научн. ред. Амоша А.И. и др. - Мариуполь: Украина, 29 сентября - 2 октября 2005. - Приазовский госуд. техн. ун-т, 2005. С.

7. Свиренко Л. П., Ремизов В. И., Брыгинец Е. Д., Саратов И. Е. Защита Азовского моря от загрязне-ния отходами комбината "Азовсталь"/ Вісник Українського Будинку економічних та науково-технічних знань товариства “Знання“ України. № 3, 1999, с. 137-142.

8. Смирнова Т.Г., Правдивец Ю.П., Смирнов Г. Н. Берегозащитные сооружения. - М. : Изд-во АСВ, 2002-303с.

9. Шлаки металлургические ОАО “МК “Азовсталь” для строительства гидротехнических сооружений. Технічні умови ТУ У В.2.7-27.1-26416904-187:2005

10. Шлаки металлургические ОАО “ММК им. Ильича” для гидротехнического строительства. Технічні умови ТУ У В.2.7-27.1-26416904-188:2005

11. Цыганков В.Н., Свиренко Л.П., Михович Г.С. Строительные и экологические аспекты при регламентировании использования металлургических шлаков в промышленной гидротехнике./ Сб. научн. трудов ХІІІ международн. научно-технической конференции “Экология и здоровье человека. Охрана водного и воз-душного бассейна. Утилизация отходов. В 2-х т. Научн. ред. Костенко В.Ф. - Харьков: УкрВОДГЕО, 2005. Т.2, с.749-752.

12. ДСТУ Б В. 2.1-2 Грунти. Класифікація

13. Svirenko, L.P, Vergeles Ju. I. & Spirin O. Il. (2002) Environmental Effects of Ferrous Slags - Comparative Analyses and a Systems Approach in Slag Impact Assessment for Terrestrial and Aquatic Ecosystems. In: Approaches to Handling Environmental Problems in the Mining and Metallurgical Regions /Eds. W. L. Filho and I. Butorina. - Dordrecht, Kluwer Acad. Publ., 2003, pp.211-229. (NATO Science Series. IV. Earth and Environmental Sciences. - Vol. 20

С анализом российского рынка металлургических и топливных шлаков и с анализом оборудования для производства цемента на основе шлаков Вы можете познакомиться в отчетах Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок шлаков в России» и «Анализ оборудования для производства шлакощелочного вяжущего».

www.newchemistry.ru

Рис. 1. Сравнительная материалоемкость и стоимость строительства с использованием шлаков.

Цыганков В.Н.

Государственный центр проблем промышленных гидротехнических сооружений НИИ проблем водоснабжения, водоотведения и охраны окружающей природной среды, Харьков, Украина

Свиренко Л.П., Брыгинец Е.Д.

Харьковская национальная академия городского хозяйства, Харьков, Украина

Михович Г.С.