Kruszywa żużlowe z metalurgii żelaza i stali

Hutnictwo jako dziedzina zajmuje się pozyskiwaniem metali z rud lub koncentratów tych metali. Procesy odzysku przebiegają w specjalnie skonstruowanych piecach hutniczych specyficznych dla danego metalu lub typu rudy.


Wytwarzanie stali jest procesem dwustopniowym. W pierwszym etapie następuje wytapianie w wielkim piecu (Blast Furnace), w drugim rafinacja w piecu konwertorowym (Basic Oxygen Furnace) lub w elektrycznym piecu łukowym (Electric Arc Furnace). Na każdym etapie powstającym produktem ubocznym jest żużel. Z każdej tony wytworzonej stali powstaje od 280 do 320 kg żużla wielkopiecowego oraz około 140 kg żużla stalowniczego na etapie produkcji stali.

W czasie pracy wielkiego pieca do jego górnej części warstwami ładowany jest precyzyjnie przygotowany wsad. Składa się on z: koncentratów żelazonośnych o zawartości żelaza przekraczającej 60% (co odpowiada ok. 90% Fe304 lub Fe203), topników wapienno-dolomitycznych oraz koksu. Węgiel, spalając się, rozgrzewa wsad do temperatury ponad 2000oC oraz jest odpowiedzialny za redukcję żelaza z postaci tlenkowej do żelaza metalicznego wg formuły 2Fe203 + 3C = 4Femet + 3C02gaz. Składniki wsadu topią się. Ciekłe żelazo spływa na dół wielkiego pieca i gromadzi się na jego dnie w tzw. garze. Nad stopionym żelazem, jako lżejsze, pływają pozostałe składniki mineralne tworzące żużel. Z gazami odlotowymi wydostają się produkty spalania oraz inne gazy i pary. W trakcie okresowych spustów z wielkiego pieca wypływają płynne żelazo i płynny żużel. Surówka żelaza jest kierowana do przetworzenia na stal, natomiast żużel wielkopiecowy w nowszych hutach przechodzi proces granulacji. W starych hutach najbardziej rozpowszechnione jest schładzanie żużla w warunkach powietrznych w dołach wylewowych lub transportowanie go w kadziach na składowisko - tutaj po wylaniu z kadzi podlega stygnięciu. W miarę schładzania w płynnej lawie żużlowej krystalizuje się faza mineralna oraz bezpostaciowa masa szklista.

Powietrzno-chłodzony żużel wielkopiecowy z uwagi na krystaliczną budowę staje się sztucznym, antropogenicznym materiałem kamiennym. Skład chemiczny tego sztucznego kamienia przedstawiony w postaci tlenkowej jest następujący: CaO - 40%, MgO - 7%, SiO2 - 35%, Al2O3 - 12%, S - poniżej 1%. Mineralogicznie 95% masy żużla budują minerały z grupy mellilitu, w skład którego wchodzą glinokrzemiany wapniowe i wapniowo-magnezowe. W śladowej ilości występują także ortokrzemiany (larnit, merwinit i monticellit) oraz tlenki metali dwuwartościowych (FeO, CaO, MgO, MnO) i niewielka ilość bezpostaciowego szkliwa.

Po przekruszeniu, rozsianiu na frakcje ziarnowe żużel powietrzno-chłodzony staje się wartościowym kruszywem o sprawdzonej przydatności w budownictwie drogowym, stosowanym na odpowiednie warstwy w konstrukcji drogowej. Kruszywo wielkopiecowe jest jasnoszare, ma chropowatą i jamistą z ostrymi krawędziami powierzchnię i pokrojem kubicznym. Świetnie się zagęszcza i osiąga doskonałą odporność na odkształcenia.

W nowoczesnych hutach w pobliżu wielkiego pieca znajduje się instalacja do granulacji żużla. Ciekły żużel jest gwałtownie schładzany przez zlewanie do koryta z wodą. Kropelki żużla w kontakcie z wodą ulegają szokowi termicznemu, zamykają się jako nieregularne ziarna o wielkości grubego piasku. Nie mając czasu na krystalizację, ziarna buduje głównie bezpostaciowa, szklista masa, posiadająca silne własności wiążące. Ĺťużel granulowany jest suszony i mielony do wielkości uziarnienia cementu, stanowiąc poszukiwany zamiennik cementu. W krajach anglosaskich jest znany jako Ground Granulated Blastfurnace Slag (GGBS). Jest on podstawą do komponowania cementów hutniczych w połączeniu z cementem portlandzkim. Dodatek mielonego granulatu (GGBS) zmniejsza szybkość wiązania betonu, jednocześnie obniżając temperaturę generowaną w trakcie tego procesu. Obniżanie temperatury jest istotne w czasie wylewania wielkogabarytowych monolitów betonowych, gdyż skutkuje zmniejszeniem ilości spękań termicznych.

Żużel wielkopiecowy może być przedmuchiwany wodą i powietrzem lub parą wodną, co powoduje jego spienienie i uzyskanie budowy komórkowej. Spieniony żużel jest porowaty, ma niski ciężar objętościowy i znakomicie nadaje się do wykorzystania jako materiał izolacyjny.

Niektóre huty posiadają urządzenia do peletyzacji żużla. Ciekły żużel wielkopiecowy jest podawany pomiędzy obracające się tarcze, które nadają mu - podczas chłodzenia wodą i powietrzem - kształt kulisty o wielkości żwiru. Uzyskany ziarnisty materiał, żużel peletyzowany, stosowany jest jako kruszywo lekkie do betonów lub trafia do produkcji cementu.