Белгородский государственный технический университет им. В. Г. Шухова, Белгород, Россия

А. Н. Бодяков, заведующий лабораторией кафедры автомобильных и железных дорог им. А. М. Гридчина, эл. почта: savaa72@mail.ru
И. Ю. Маркова, доцент кафедры материаловедения и технологии материалов, канд. техн. наук, эл. почта: irishka-31.90@mail.ru
В. В. Строкова, директор Инновационного научно-образовательного и опытно-промышленного центра наноструктурированных композиционных материалов (ИНО и ОПЦ НКМ), докт. техн. наук, профессор, эл. почта: vvstrokova@gmail.com
М. А. Степаненко, инженер II категории ИНО и ОПЦ НКМ 1, эл. почта: stepanencko.rita2017@yandex.ru

Некондиционное техногенное сырье представляет особый интерес как для строительной отрасли в целом, так и для дорожно-строительной в частности. Однако вторичное использование таких материалов, как правило, требует дополнительной обработки с целью придания заданных свойств. Одним из таких видов отходов являются металлургические шлаки, которые в большинстве своем подвержены процессу распада. Фазовые превращения, происходящие в процессе охлаждения при сливе шлакового расплава, препятствуют обеспечению механической прочности получаемого материала. Решением данной проблемы может служить кристаллохимическая стабилизация шлаков, предполагающая использование стабилизирующих компонентов, содержащих инородные ионы, способные встраиваться в кристаллическую решетку минеральных фаз шлака. Изучено влияние феррохромовой руды, содощелочного плава и пыли дуговых сталеплавильных печей (ДСП) в качестве стабилизирующих агентов металлургического шлака ДСП. В результате проведенных лабораторных исследований оценена зависимость изменения выхода стабилизированного шлака, его состава и структурных особенностей, напрямую влияющих на водонасыщение и марку материала по морозостойкости, от вида и концентрации стабилизатора. Энергодисперсионный анализ лабораторных образцов шлака и образца, полученного в результате стабилизации в промышленных условиях, позволил выявить особенности структуры и распределения элементов в материале в зависимости от условий стабилизации. Установлено, что пыль ДСП является наиболее эффективным стабилизатором, позволяющим при ее концентрации в шлаковом расплаве, равной 5 %, получить 100 % стабилизированной фракции шлака с водонасыщением 4,6 % и маркой по морозостойкости F 50.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-19-00796, https://rscf.ru/project/23-19-00796/. Работа выполнена с использованием оборудования Центра высоких технологий на базе БГТУ им. В. Г. Шухова.

1. Piatak N. M. Environmental characteristics and utilization potential of metallurgical slag // Environmental Geochemistry. 2018. P. 487–519. DOI: 10.1016/B978-0-444-63763-5.00020-3
2. Смирнов Л. А., Леонтьев Л. И., Сорокин Ю. В. Переработка и использование техногенных отходов металлургического производства // Фундаментальные основы технологий переработки и утилизации техногенных отходов : сб. трудов Международного конгресса. — Екатеринбург, 2012. С. 15–19.
3. Ибрагимов В. Э., Бажин В. Ю. Современные технологии переработки алюминиевых шлаков на основе бессолевых экологически ориентированных способов // Естественные и технические науки. 2020. № 6 (144). С. 155–162.
4. Горшков В. С., Тимашев В. В., Савельев В. Г. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ : учебное пособие. — М. : Высшая школа, 1981. — 335 с.
5. Атлас шлаков : справ. изд. пер. с нем. Г. И. Жмойдина. — М. : Металлургия, 1985. — 208 с.
6. Торопов Н. А. Химия цементов. — М. : Государственное издательство литературы по строительным материалам, 1956. — 271 с.
7. Шаповалов Н. А., Загороднюк Л. Х., Тикунова И. В., Щекина А. Ю. и др. Шлаки металлургического производства — эффективное сырье для получения сухих строительных смесей // Фундаментальные исследования. 2013. Вып. 1. № 1. С. 167–172.
8. Шешуков О. Ю., Михеенков М. А., Егиазарьян Д. К., Овчинникова Л. А. Особенности стабилизации саморассыпающихся высококальциевых рафинировочных шлаков черной металлургии химическим способом // Фундаментальные исследования и прикладные разработки процессов переработки и утилизации техногенных образований. Уральский рынок лома, промышленных и коммунальных отходов: труды конгресса с международным участием и конференции молодых ученых, V Форум, Екатеринбург, 5–9 июня 2017 г. — Екатеринбург : Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук, 2017. С. 153–156.
9. Gerasimov A., Kotova E., Ustinov I. Applied mineralogy of anthropogenic accessory minerals // 14th International Congress for Applied Mineralogy (ICAM2019), Belgorod, 23–27 September 2019, Belgorod. P. 70–74. DOI: 10.1007/978-3-030-22974-0_16
10. Михеенков М. А., Шешуков О. Ю., Сивцов А. В., Егиазарьян Д. К. Особенности формирования фазового состава сталеплавильных шлаков и оценка возможности использования их при изготовлении экобетона // Фундаментальные исследования и прикладные разработки процессов переработки и утилизации техногенных образований : VI-й конгресс с международным участием и научно-технической конференцией молодых ученых, Екатеринбург, 11–14 июля 2023 г. — Екатеринбург : Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук, 2023. С. 100–102.
11. Леонтьев Л. И., Шешуков О. Ю., Михеенков М. А., Степанов А. И. и др. Технологические особенности переработки шлаков ДСП и АКП в строительные материалы и опыт утилизации рафинировочного шлака в ОАО СТЗ // Сталь. 2014. № 6. С. 106–109.
12. Kriskova L., Eroli M., Iacobescu R. I., Onisei S. et al. Transformation of stainless steel slag toward a reactive cementitious binder // Journal of the American Ceramic Society. 2018. Vol. 4. P. 1727–1736.
13. Durinck D. Arnout S., Mertens G., Boydens E., Jones P. T. et al. Borate distribution in stabilized stainless-steel slag // Journal of the American ceramic society. 2008. Vol. 2. P. 548–554.
14. Kim Y. M., Hong S. H. Influence of minor ions on the stability and hydration rates of β-dicalcium silicate // Journal of the American Ceramic Society. 2004. Vol. 5. P. 900–905.
15. Eriksson J., Bjorkman B. MgO modification of slag from stainless steelmaking // VII International Conference on Molten Slags Fluxes and Salts. 2004. P. 455–459.
16. Engstrom F., Pontikes Y., Geysen D., Jones P. T. et al. Hot stage engineering to improve slag valorisation options // International Slag Valorisation Symposium: Katholieke Universitat, 2011. P. 230–251.
17. Шюлер С., Маркус Х. П., Алгермиссен Д., Мудерсбах Д. Качество электросталеплавильных шлаков // Черные металлы. 2015. № 9. С. 31–41.
18. Gieseler J. Properties of iron and steel slags regarding their use // Proceedings of the Sixth International Conference on Molten Slags, Fluxes and Salts. Stockholm, Sweden-Helsinki, Finland. 12–17 June, 2000. P. 207.
19. Chan C. J., Kriven W. M., Young J. F. Physical stabilization of the beta to gamma transformation in dicalcium silicate // Journal of the American Ceramic Society. 1992. Vol. 75. P. 1621–1627.
20. Лебедев А. Б., Утков В. А., Бажин В. Ю. Применение красного шлама в качестве модификатора при грануляции металлургических шлаков // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2019. Т. 23. № 1 (144). С. 158–168.
21. Durinck D., Arnout S., Mertens G. et al. Borate distribution in stabilized stainless-steel slag // Journal of the American Ceramic Society. 2008. Vol. 91, Iss. 2. P. 548–554.
22. Демин Б. Л., Сорокин Ю. В., Щербаков Е. Н. и др. Разработка и опробование технологии кристаллохимической стабилизации самораспадающихся сталеплавильных шлаков от установки ковш-печь в условиях Северского трубного завода : труды XIII конгресса сталеплавильщиков. — Екатеринбург : Эзапринт, 2014. С. 398–402.
23. Демин Б. Л., Сорокин Ю. В., Щербаков Е. Н. и др. Технические решения по переработке самораспадающихся шлаков // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2012. № 12. C. 63–71.
24. Bodyakov A. N., Meshkova K. V., Dukhovny G. S. Stabilization of metallurgical slug from arc steel-making furnaces // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing, 2020. Vol. 945. №. 1. 012082.
25. Pribulová A., Futas P., Baricová D. Processing and utilization of metallurgical slags // Production engineering archives. 2016. Vol. 11, Iss. 2. P. 2–5.
26. Леонтьев Л. И., Пономарев В. И., Шешуков О. Ю. Переработка и утилизация техногенных отходов металлургического производства // Экология и промышленность России. 2016. Т. 20. № 3. С. 24–27.
27. Белецкая В. А., Румянцева Е. Л. Перспективы использования электросталеплавильных шлаков ОЭМК // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова. 2011. № 3. С. 140–144.
28. Таранина Т. И., Кабанова Л. Я., Королев А. С., Зырянов Ф. А. Стабилизированный шлак низкоуглеродистого феррохрома ОАО «ЧЭМК»: минералого-петрографические особенности // Минералогия техногенеза. 2011. № 12. С. 62–71.
29. Шешуков О. Ю., Михеенков М. А., Некрасов И. В., Егиазарьян Д. К. и др. Вопросы утилизации рафинировочных шлаков сталеплавильного производства. — Екатеринбург : УрФУ, 2017. — 208 с.