Спосіб окиснювальної обробки сталеливарних шлаків та спосіб одержання гідравлічних в’яжучих матеріалів з його використанням (варіанти)

Цей винахід, взагалі, має відношення до обробки сталеливарних шлаків для надання їм властивостей гідравлічного в'яжучого матеріалу. Зокрема, цей винахід має відношення до способу обробки сталеливарних шлаків з одержанням оброблених шлаків, які, завдяки своєму мінеральному складу, перетворюються на синтетичні матеріали, що мають кращі експлуатаційні властивості у разі використання у будівництві (грануляти для виконання бетонних робіт або шляхового будівництва, гідравлічні в'яжучі матеріали або в'яжучі матеріали з гідравлічним потенціалом). У разі одержання гідравлічних матеріалів або матеріалів із гідравлічним потенціалом із сировини без виділення СO2 зіштовхуються із проблемами, спричиненими тим, що їх хімічний і мінералогічний склад є несприятливим для одержання в'яжучої речовини. Термін "несприятливими" означає, що одержаний матеріал не буде придатним ні у разі самостійного використання, ні у разі можливого змішування з портландцементом, оскільки він не буде мати міцністних характеристик, які вимагаються стандартами, або ж буде створювати проблеми, пов'язані з набуханням та руйнуванням конструкцій. Саме це і спостерігається у разі ЛД шлаку {шлак киснево-конвертерного виробництва сталі з продуванням плавки киснем лише зверху) (цей шлак одержують із затвердлого та розмеленого сталеливарного шлаку). ЛД шлак є побічним продуктом киснево-конвертерного процесу переплавки гематитових чавунів (чавуни з низьким вмістом фосфору). Такий матеріал має високий вміст заліза та вапна із середнім мінералогічним складом, який відповідає сукупності фаз, утворених дикальційсилікатами, феритом кальцію та оксидами металів, завдяки чому середній хімічний склад головних складових є таким: Сполука СаО SiO2 Аl2О 3 MgO Оксиди заліза Вільне залізо Вільний СаО % (мас.) 50 13 3 6 28 до 20 до 10 Застосування ЛД шлаку у формі гранульованого матеріалу для бетонних робіт або шля хового будівництва для одержання бітумних верхніх шарів або постільних шарів обмежується присутністю вільного вапна, яке викликає здимання дороги або бетону. Перетворення ЛД шлаку на гідравлічний в'яжучий матеріал також становить значний інтерес. У патенті Франції №2,546,530 розкривають спосіб обробки сталеливарних шлаків з метою їх використання як цементу. Спосіб обробки, розкритий у згаданому патенті, полягає у додаванні до рідкого шлаку сполуки (бокситу), яка постачає оксид алюмінію, та сполуки (алюмінію), яка утворює оксид алюмінію, підведенні тепла у кількості, необхідній для розчинення згаданих сполук у шлаку та піддані шлаку кисневому дражненню. Кількість сполуки (сполук), здатної (здатних) утворювати оксид алюмінію, для додавання до шлаку є такою, що оброблений шлак містить 5-25% (мас.) оксиду алюмінію. Незважаючи на те, що у патенті Франції №2,546,530 розкривають, що оброблений у такий спосіб шлак може використовува тись як гідравлічний в'яжучий матеріал, у тому числі для виробництва цементу, така обробка не дозволяє одержувати гідравлічний в'яжучий матеріал, по суті здатний до повної заміни портландцементу. У патенті Німеччини №2,611,889 розкривають окиснювальну обробку залишків сталеливарної промисловості шляхом додавання вапна з подальшою стадією дуже швидкого охолодження для одержання гранульованого матеріалу, разом з яким перемелюють 3-8% (мас.) гіпсу. Головною складовою оброблених металургійних залишків є пічний шлак. Точніше, такий спосіб являє собою спосіб перетворення 60-90% металургійного скрапу шля хом додавання 10-40% (мас.) вапна. Однак оброблений таким чином скрап на 35% складається зі сталеливарного шлаку, змішаного з 48% пічного шлаку та 17% іншого лому сталеобробної промисловості. Обробці фактично піддається лише приблизно 20-32% сталеливарного шлаку. ЛД шлак, оброблений з використанням такого способу, має відносно низький вміст СаО (30% (мас.)). Крім того, така обробка відбувається за високої температури у межах від 1600°С до 1750°С, за варіантом, якому віддається перевага, від 1650°С до 1700°С, і потребує використання додаткового палива, такого як кокс. Заявник знає спосіб окиснювальної обробки сталеливарного шлаку, що включає стадії додавання до шлаку джерела оксиду алюмінію та джерела вапна і відповідного їх охолодження для одержання обробленого шлаку, що має мінералогічний склад, який відповідає одному з наведених далі: (a) аморфна склоподібна фаза; (b) перша сукупність фаз (1), яка містить, у % (мас), 10-40 СА, 20-50 C2AS, 30-50 C6AF2 та 10-30 C2S; (c) друга сук упність фаз (2), яка містить, у % (мас), 20-40 C2F, 10-30 C2AS, 20-50 C6AF2 та 10-40 C2S; та (d) суміш аморфної склоподібної фази та першої або другої сукупності фаз. Слід нагадати, що за традиційною термінологією виробників цементу: С=СаО A=Al2O 3 S=SiO2 F=Fe2O 3 P=PO4 Вищезгадані фази не є чистими сполуками, але, ймовірно, містять у твердому розчині домішки, такі як залізо, оксид магнію (MgO), оксид фосфору (Р 2О 5), сірку і тощо. Окрім того, що такий спосіб потребує застосування контрольованих стадій охолодження, важливою є також кількість джерел оксиду алюмінію та вапна, призначених до додавання, що становить в загальній кількості 25% (мас.) або більше для джерела оксиду алюмінію та 40% (мас.) або більше для джерела вапна. Ціллю цього винаходу є, таким чином, спосіб окиснювальної обробки необробленого сталеливарного шлаку, до складу якого входить, у перерахунку на загальну масу необробленого шлаку, щонайменш 45% (мас.) СаО та менш ніж 30% (мас.) Fe2O3, що долає незручності відомого рівня техніки. Зокрема, ціллю цього винаходу є спосіб окиснювальної обробки необробленого сталеливарного шлаку з одержанням шлаку, який, у разі змішування з портландцементом або у разі самостійного застосування, являє собою придатний гідравлічний в'яжучий матеріал із вмістом C3S у межах від 40% до 60%, що забезпечує можливість досягнення прийнятної механічної міцності, зокрема, міцності на стиск Re, рівень якої через один день перевищує 8 МПа. Іншою ціллю цього винаходу є також спосіб окиснювальної обробки сталеливарного шлаку за визначенням, яке було наведено вище, що потребує додавання невеликої кількості джерела вапна та факультативно джерел оксиду алюмінію та/або діоксиду кремнію. Мінімальний вміст заліза (у формі FeO або Fe2O3) шлаку до обробки повинен бути таким, щоб мінімальний вміст Fe2O 3 кінцевого шлаку становив 13% (мас). Це дозволяє використовувати відносно низькі температури обробки (що дорівнюють або нижчі за 1500°С - шлак виходить із ковша при температурі приблизно 1650°С і природним чином охолоджується до температури 1450°С. Гадають, що обробка відбувається при температурі, яка наближається до 1500°С), що не потребує жодного іншого підведення енергії, окрім тієї, що є наслідком згоряння кисню, зокрема, що не потребує використання жодного додаткового палива, такого як кокс. Вищезгаданих цілей досягають, за цим винаходом, використанням способу обробки необробленого сталеливарного шлаку для перетворення згаданого шлаку на гідравлічний в'яжучий матеріал щонайменш еквівалентний портландцементному клінкеру, що включає: - окиснювальну обробку шляхом подачі кисню чи повітря або їх суміші під тиском у межах від 1 бар до 15 бар (0,1-1,5МПа), за варіантом, якому віддається перевага, від 5 бар до 10 бар (0,5-1,0МПа), при температурі у межах від 1650°С до 1400°С, за варіантом, якому віддається перевага, у межах від 1550°С до 1450°С, необробленого сталеливарного шлаку, до складу якого входить, у перерахунку на загальну масу необробленого шлаку, щонайменш 45% (мас.) СаО та менш ніж 30% (мас.) Fe2O3; та - додавання до такого шлаку джерела вапна, доповненого, у разі потреби, джерелом діоксиду кремнію та/або джерелом оксиду алюмінію, причому співвідношення джерела вапна та факультативно джерел діоксиду кремнію та/або оксиду алюмінію вибирають таким чином, щоб вміст Fe2O3 шлаку після перетворення та при кімнатній температурі становив щонайменш 13% (мас), а до мінералогічного складу входило щонайменш 40% (мас.) фази C3S та більше ніж 10% (мас), за варіантом, якому віддається перевага, щонайменш 40% (мас.) фериту кальцію у формі фази C2F та/або C4AF, у перерахунку на загальну масу кінцевого обробленого шлаку. За варіантом, якому віддається перевага, обробку за цим винаходом здійснюють без подачі енергії, окрім тієї, що утворюється під час згоряння кисню. За варіантом, якому віддається перевага, кінцевий оброблений шлак також містить менш ніж 2% (мас), за варіантом, якому віддається перевага, менш ніж 1% (мас.) вільного вапна, а за варіантом, якому віддається більша перевага, зовсім не містить вільного вапна. Як згадувалось вище, необроблений сталеливарний шлак, оброблений із застосуванням способу за цим винаходом, містить щонайменш 45% (мас) СаО, як правило, 45-65% (мас.) СаО та, за варіантом, якому віддається перевага, 48-62% (мас), у перерахунку на загальну масу необробленого шлаку. Необроблений сталеливарний шлак також містить менш ніж 30% (мас.) Fe2O3, за варіантом, якому віддається перевага, менш ніж 30-10% (мас.) Fe2O3, та за варіантом, якому віддається більша перевага, 2510% (мас), у перерахунку на загальну масу необробленого шлаку. Вміст Fe2O3 кінцевого обробленого шлаку становить щонайменш 13% (мас), за варіантом, якому віддається перевага, 15-35% (мас). За варіантом, якому віддається перевага, вихідний шлак до обробки містить 5-20% FeO. За варіантом, якому віддається ще більша перевага, співвідношення домішок є такими, що шлак, після перетворення та при кімнатній температурі, має такий мінералогічний склад, що вміст фази C2S становить менш ніж 10% (мас), та за варіантом, якому віддається більша перевага, є вільним від фази C2S. За допомогою обробки, опис якої наведено вище, одержують гідравлічний в'яжучий матеріал, який має такі саме характеристики, що і портландцементний клінкер. Для одержання зі сталеливарного шлаку, обробленого за цим винаходом, гідравлічного в'яжучого матеріалу, еквівалентного портландцементу, до вищезгаданого обробленого шлаку додають, під час розмелювання шлаку, джерело сульфату кальцію, наприклад, гіпс або ангідрит, з метою поліпшення кінетики гідратації згаданого шлаку. Взагалі, кількість, доданого гіпсу або ангідриту становить щонайменш 5% (мас), за варіантом, якому віддається перевага, щонайменш 10% (мас.) у перерахунку на масу обробленого шлаку. Для одержання зі сталеливарного шлаку, обробленого за цим винаходом, гідравлічного в'яжучого матеріалу, еквівалентного портландцементу, з обробленим та розмеленим шлаком можна також змішувати щонайменш 50% (мас.) портландцементу. Необроблений сталеливарний шлак може піддаватись окиснюванню або у рідкій формі при температурі у межах від 1400°С до 1650°С, за варіантом, якому віддається перевага, від 1450°С до 1550°С, наприклад, шляхом продування кисню, повітря або суміші кисню та повітря у ковші, що містить рідкий необроблений шлак, або у твердій формі, наприклад, шляхом простого контактування необробленого шлаку з повітрям у обертовій печі цементного заводу. Подібним же чином, додавання джерела вапна та факультативне додавання джерел оксиду алюмінію та/або діоксиду кремнію, може здійснюватись до рідкого або до твердого необробленого шлаку. Таке додавання може здійснюватись перед, під час або після окиснювання необробленого шлаку. Звичайно, коли необроблений шлак знаходиться у твердій формі, його слід нагріти до температури, достатньої для одержання необхідного перетворення, як правило, до температури у межах від 1450°С до 1550°С, типово до температури приблизно 1500°С. Джерелом вапна може бути будь-яке придатне джерело вапна, наприклад, вапно або карбонат кальцію. Подібним же чином, джерелами оксиду алюмінію та діоксиду кремнію можуть бути чистий оксид алюмінію або чистий діоксид кремнію, або також боксит. Зрозуміло, що кількість вапна, що повинна додаватись, залежить від хімічного складу необробленого шлаку і може становити до 30% (мас.) у перерахунку на масу необробленого шлаку, однак за варіантом, якому віддається перевага, становить 5-15% (мас), за варіантом, якому віддається перевага, 8-15% (мас). Кількість оксиду алюмінію, що повинна додаватись, коливається, як правило, від 0 до 10% (мас), у той час як кількість діоксиду кремнію коливається, як правило, від 0 до 5% (мас.) у перерахунку на масу необробленого шлаку. Для того, щоб знати кількість матеріалів, що повинна додаватись до шлаку з метою одержання матеріалу, що містить від 40% до 60% C3S, слід додержуватись наведеної далі методики, приймаючи до уваги, що склад шлаку є таким: % СаО Υ % SiO2 Z % A12O 3 A % Fe2O3 U % FeO V %P2O5 Ρ %TiO2 T З метою визначення кількості діоксиду кремнію, що повинна додаватись: у разі, якщо Z< 10,52, кількість діоксиду кремнію, що повинна додаватись, Z', становить від (10,52-Z) (з метою одержання 40% фази C3S) до (15,8-Z) (з метою одержання 60% фази C3S), у разі, якщо 10,52£Z