Ведущее место среди искусственных каменных материалов при надлежит металлургическим шлакам, которые являются побочным продуктом металлургии.
Металлургические шлаки в зависимости от технологического процесса производства металла делят на шлаки черной и цветной
металлургии. Шлаки черной металлургии могут быть доменные, которые выдают при выплавке чугуна из железных руд, и шлаки передельных процессов — сталеплавильные, которые получают при выплавке стали из чугуна.
При производстве различных сортов стали в зависимости от технологии сталеплавильные шлаки могут быть мартеновские, конверторные (бессмеровские или томассовские), электросталеплавильные, ваграночные и др.
Шлаки представляют собой сплав окислов пустой породы, золы топлива и окислов флюсов, образующихся в доменных, мартеновских и других металлургических печах как побочный продукт. Получаемое при этом количество шлака на 1 т выплавляемого металла составляет при доменном процессе до 80 кг, мартеновском 30, конверторном— 18, ваграночном — 8 кг.
Наибольшую ценность как исходное сырье для производства строительных материалов и полуфабрикатов представляют доменные шлаки, затем мартеновские, конверторные и электросталеплавильные. Ваграночные шлаки вследствие малого их выхода и значительного содержания металла не представляют интереса как сырье для производства каменных материалов.
Доменные шлаки представляют ценный побочный продукт, который образуется в доменных печах в огненножидком состоянии при выплавке чугуна из железных руд. Химико-минералогический состав шлаков зависит от качества руды, флюсов, топлива и технологического процесса плавки. В составе шлаков имеются SiOz, Аl₂О₃, СаО с примесью MgO, CaS, FeO, МnО и др.
Рисунок-1. Таблица разновидностей шлаков
По содержанию некоторых окислов, существенно влияющих на качество шлаков, различают такие разновидности(смотри рис-1).
При содержании двух или более указанных окислов шлакам присваивают комплексные наименования.
Шлаки по соотношению основных окислов (CaO, MgO, FeO, МnО) к кислотным (SiO₂, Р₂О₅, TiO₂) характеризуют условным модулем основности (рис-2).
Рисунок-2.Условный модуль основности
Аl₂О₃, представляет окисел, который с основаниями реагирует как слабая кислота, а с кислотами как слабое основание.
Большинство металлургических шлаков имеют модуль основности M= 0,7—1,6, причем шлаки древесно-угольной плавки характеризуются модулем меньше единицы.
Доменные шлаки металлургических заводов Донбасса и Приазовья характеризуются следующим химическим составом: СаО 38,5—54,5%; SiO₂ 28,0—41,3; Al₂О₃ 5,5—23,4; MgO 1,0—12,0; МnО 0,4—5,0; FeO 0,3—1,8; SO₃ 0,5—3,0%.
Названные окислы в зависимости от технологии плавки, режи мов охлаждения расплава образуют псевдоволостонит, мелилит, геленит, сульфиды кальция и марганца, кальцит и другие минералы.
От химико-минералогического состава зависят свойства шлака и расплава, в частности кристаллизационная способность расплавов. Температура плавления шлаков в зависимости от их химического состава колеблется в пределах 1200—1800° С.
По вязкости шлаковые расплавы в зависимости от состава и тем пературы делят на:
Жидкоплавкие с вязкостью более 5 пз;
Нормальные с вязкостью от 5 до 10 пз;
Густоплавкие с вязкостью меньше 10 пз;
По характеру струи выливаемых шлаковых расплавов их делят на «длинные» (кислые) и «короткие» (основные). Шлаковый расплав содержит разное количество растворенных в нем газообразных веществ, которые при понижении температуры выделяются из шлака, при этом объем их увеличивается.
Чем больше вязкость расплава, тем больше затруднений для выделения газообразных веществ, наличие которых обусловливает пористую или пемзовидную текстуру шлака.
При медленном остывании расплава шлак приобретает кристаллическую структуру, а при быстром — стекловидную. При одинаковых условиях охлаждения доменные шлаки в зависимости от химико-минералогического состава обладают разной способностью к кристаллизации — одни разновидности хорошо кристаллизуются, другие же приобретают стекловатое строение.
По структурно-текстурным признакам шлаки могут быть плот ные, пористые, ноздреватые, пемзовидные, кристаллические, стекловатые и смешанной структуры.
Важной характеристикой доменных шлаков является стабильность их структуры. Шлаки с неустойчивой структурой в результате сложных физико-химических процессов и воздействия влаги и температуры самопроизвольно разрушаются (распадаются), превращаясь в раздробленный материал или мучнистый порошок.
Различают следующие виды распада.Силикатный распад выражается в том, что охлаждаемый шлак распадается на отдельные куски или рассыпается в тонкий порошок— доменную муку.
Причиной этого распада является возможное превращение двухкальциевого силиката (2CaO-SiO₂ — условно обозначен C₂S) из одной фазы в другую. Двухкальциевый силикат C₂S может быть в полиморфных фазах: высокотемпературные фазы альфа ∝C₂S и бета βC₂S и одну низкотемпературную фазу гамма γC₂S. При температуре 850° С переход фазы ∝C₂S в фазу γC₂S сопровождается уменьшением плотности кристаллов двухкальциево го силиката и увеличением их объема на 10%.
При температуре 675° С возможен переход двухкальциевого силиката фазы ∝C₂S в фазу γC₂S, но без увеличения объема. При температуре 300—400° С возможен переход βC₂S в фазу γC₂S с увеличением объема кристаллов примерно на 10%. Такое увеличение объема приводит к разру шению кусков шлака вплоть до шлаковой муки.
Силикатный распад характерен для основных доменных шлаков, содержащих окиси кальция свыше 44% при малом количестве Аl₂О₃ и MgO. Предотвратить силикатный распад доменных шлаков можно химическим способом путем введения в шлаковый расплав различных стабилизаторов Mg₂, SiO₄, F₂SiO₄, Са ₃(РО₄)2 и физическим способом — закалкой.
Известковый распад происходит в результате медленной гидратации крупинок извести — пережога, что сопровождается увеличением объема и разрушением шлака на куски. Известковый распад присущ мартеновским, конверторным и другим шлакам; у доменных шлаков распад бывает редко.
Сульфидный распад структуры шлаков возникает в результате гидролиза сульфида марганца (марганцевый распад) с образованием гидрата окиси марганца, что сопровождается увеличением объема на 24%, или при гидролизе сульфида железа (железистый распад) с образованием гидрата окиси железа с увеличением объема на 38%.
Сульфидный распад разрушает куски шлака на раздробленный шлаковый материал. Сульфидный распад проявляется при увлажнении шлаков. По стабильности структуры различают шлаки устойчивой структуры, склонные к распаду, и распадающиеся.