مقالات

1.    معرفی
فولاد عمدتاً از کارخانه های فولادی تولید می شود که از کوره اکسیژن القایی (BOF) یا کوره بلند (BF) تشکیل شده است. در همین حال، فولاد از مواد مبتنی بر ضایعات در کارخانه‌های تحت کار با کوره قوس الکتریکی (EAF)  نیز تولید می‌شود. سرباره های فولادی دارای ترکیبات متنوع و پس از سرد شدن دارای اشکال مختلف می باشند. اکثر سرباره های فولادی پس از سرد شدن یا انجماد، مواد سنگ مانند سخت را تشکیل می دهند. با این حال می توان از برخی سرباره ها مجددا برای تولید پودرهای بسیار ریز استفاده کرد. نقش های مختلفی از سرباره فولاد در فرآیند فولادسازی وجود دارد. در یک جمع بندی می توان از نقش ان ها برای جذب ناخالصی ها در طول فرآیند پالایش فولاد، برای جلوگیری از ورود گازهای N2 و H2 از اتمسفر به فولاد مذاب، محافظت از فولاد در برابر اکسیداسیون مجدد، به عنوان مانع انتقال حرارت از فولاد مذاب به اطراف نام برد (شکل 1). کاربردهای مختلف و استفاده از سرباره فولادی به طور خلاصه در بخش زیر توضیح داده شده است. محصولات جانبی اصلی تولید شده در طول تولید آهن و فولاد خام، سرباره (90%)، گرد و غبار است که برای سه نوع کوره گزارش شده است.

 

شکل 1- سرباره تولیدی از فرایند فولادسازی

2. کاربردهای سرباره فولاد
بر اساس مقررات محیط زیست مالزی (ضایعات برنامه ریزی شده) (2005)، سرباره فولاد به عنوان زباله های غیرخطرناک طبقه بندی می شود که می تواند در محل های دفن زباله مناسب دفع شود. دفع سرباره فولادی مستلزم منطقه دفن زباله بزرگ است که از نظر اقتصادی نامطلوب است. بنابراین، چندین تحقیق و توسعه برای ایجاد استفاده بالقوه از سرباره در کاربردهای مختلف انجام شده است. با این حال، ممکن است این خطر وجود داشته باشد که اجزای مختلف سرباره ممکن است شسته شوند و این زمانی خطرناک است که فلز سنگین در سرباره وجود داشته باشد. بنابراین لازم است این مواد زائد متالورژیکی به روش های مناسب مورد بررسی قرار گیرد. کاربردهای معمول سرباره‌های فولادی عبارتند از: استفاده به عنوان سنگدانه‌ها جهت آب‌بندی (مقاوم در برابر لغزش)، سنگدانه‌های موجود در آسفالت، به عنوان پرکننده های ساختمانی، زه‌کشی‌های زیرزمینی، سند بلاست و تصفیه فاضلاب. کاربردهای مختلف سرباره فولاد در سال 2010 (22.3 میلیون تن) در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2- موارد استفاده از سرباره فولادسازی و درصدهای آن

2.1 تولید سیمان

در صنایع سیمان و بتن، سرباره را می توان به عنوان سنگدانه یا چسباننده در پایه های تثبیت شده استفاده کرد. به منظور حفظ منابع طبیعی و کاهش اثرات زیست محیطی می توان از سرباره ها به عنوان سنگدانه استفاده کرد. برای کاهش نیاز به سیمان که هزینه آن گران است، سرباره جایگزین شده و از ان به عنوان چسب استفاده می شود. به دلیل این مزایا، بسیاری از محققین افزودن سرباره به سیمان و بتن را بررسی کرده‌اند. افزودن سرباره به سیمان مزایای فنی مهمی نسبت به سیمان پرتلند معمولی دارد. این مزایا را می توان به عنوان افزایش استحکام مکانیکی، حلالیت کم هیدرات ها و تخلخل، حرارت کمتر هیدراتاسیون، دوام عالی و چسبندگی قوی تر سنگدانه-ماتریس  برشمرد. با این حال، معایبی مانند انقباض زیاد، ایجاد ریز ترک ها و گیرش سریع وجود دارد. بنابراین ترکیب انواع سرباره ها (فعال شده، شیمیایی و فیزیکی اصلاح شده) با سیمان را بررسی می کنند. به عنوان مثال، می تواند توانایی هیدراسیون بتن های سیمانی سرباره را افزایش دهد، عملکرد مکانیکی سیمان را بهبود بخشد، مقاومت سیمان را افزایش دهد، تغییر شکل در حین ترک خوردگی، ریزساختار و دوام، مقاومت را افزایش دهد.

 

2.2 راه سازی

محصولات فرعی صنعتی مانند سرباره فولاد را می توان به جای سنگدانه های طبیعی به منظور جلوگیری از تخلیه منابع طبیعی مورد استفاده قرار داد. میلیون ها تن شن، ماسه و سنگ خرد شده از معادن به دلیل جاده سازی استخراج می گردد. به خوبی شناخته شده است که مزایای فنی، اقتصادی و زیست محیطی بسیاری حاصل می شود که سرباره فولاد به عنوان مصالح ساختمانی جایگزین در نظر گرفته شود. با توجه به خواص برجسته سرباره فولاد، سنگدانه ایده آلی برای مصالح روکش آسفالت و عملیات سطح جاده می باشد بررسی های محققین ثابت کرده است که استفاده از سرباره فولادی در مخلوط در راهسازی نسبت به آسفالت معمولی مزیت بیشتری دارد. بررسی های مخلوط آسفالت و سطح جاده نتایج بسیار خوبی از نظر پایداری، سختی و دوام نشان داده است. آسفالت با استفاده از سرباره، همانطور که انتظار می رفت، مقادیر اصطکاک خوب، سطوح کاهش نویز را ارائه می دهد، همچنین مقاومت در برابر ترک خوردگی را در دماهای پایین با عملکرد عالی در زبری و مقاومت خوب در برابر نفوذپذیری آب افزایش می دهد.

 

2.3 تصفیه آب و فاضلاب

از آنجایی که سرباره ویژگی های خوبی دارد و کم هزینه است، به طور گسترده در تصفیه فاضلاب و تصفیه آب استفاده می شود و ممکن است جایگزین استفاده از کربن فعال گرانوله باشد. تحقیقات مختلفی از جمله جذب رنگ، جذب فلزات سنگین و آلی با استفاده از سرباره فولاد انجام شد. با این حال، ظرفیت جذب سرباره به pH محلول بستگی دارد. هیدراتاسیون ترکیب سرباره در محلول های آبی PH بالایی را فراهم می کند. واکنش های هیدراتاسیون ممکن را می توان با ترکیبات مختلف سرباره به شرح زیر انجام داد:

در شرایط pH بالا، سطح سرباره بار منفی دارد و جذب یون های فلزی به کاتیون ها ترجیح داده می شوند. با این حال، جذب فلزات سنگین با استفاده از سرباره می تواند با شرایط دمای بالا یا pH پایین تحت شرایط خاص انجام شود. یاماشیتا و همکاران مکانیسم های احتمالی حذف فلزات سنگین محلول از مایعات پسماند آبی از طریق سرباره کوره کنورتور را بررسی کردند.
فاضلاب کارخانه های فولاد حاوی غلظت بالایی از فلزات سنگین می باشد که به دلیل تجمع ذرات فیلتر شده از فرآیند تصفیه فاضلاب است. انتشار مستقیم آب شستشوی معکوس در محیط ممکن است اثرات جدی بر روی زمین و زندگی آبزیان داشته باشد. بر اساس مطالعات سم شناسی، فلزات سمی و غیرقابل تجزیه زیستی هستند و ممکن است همچنان در این توده های آبی وجود داشته باشند. علاوه بر این، فلزات سنگین نیز تمایل به تجمع در زنجیره غذایی دارند. از این رو، یک مقررات زیست محیطی سختگیرانه در تلاش برای کاهش آلودگی فلزات سنگین ناشی از تخلیه پساب صنعتی ایجاد شده است. 

 

2.4 حذف فسفر

فسفر (P) حاصل از فاضلاب کشاورزی یکی از آلاینده‌های اصلی آب‌های طبیعی است که باعث رشد جلبک‌ها و فرسایش آب دریاچه‌ها می‌شود. بنابراین، فسفر یکی از مواد اصلی است که باید قبل از تخلیه به آب از فاضلاب خانگی حذف شود. استفاده از فناوری مناسب برای حذف حداکثر این ماده ضروری است. به منظور حذف فسفر از پساب، روش ها یا رویکردهای مختلفی از جمله فرآیند بیولوژیکی، شیمیایی (رسوب، افزودن نمک فلز) و فیزیکی (الکترو دیالیز، اسمز معکوس) انجام شده است. در بین تمام روش ها، رسوب شیمیایی گران بوده و حجم لجن را تا 40 درصد افزایش می دهد. حذف بیولوژیکی فسفر نیز به حجم یا فضای بسیار بیشتری نسبت به سایر فرآیندها (واحد بی هوازی) نیاز دارد. تحقیقات مختلف در مورد استفاده بالقوه از محصولات جانبی صنعتی برای حذف فسفر از فاضلاب در اواخر دهه 1980 مورد مطالعه قرار گرفت. حذف فسفر همراه با توسعه تالاب های ساخته شده (CW) است. این روش یک فناوری کم هزینه برای تصفیه آلاینده ها است که سرباره در ان نقش مهمی در جذب ناخالصی ها به ویژه فسفر دارد. با مقایسه بیشتر محصولات صنعتی، مشخص شد سرباره فولادی یک ماده کم هزینه و فراوان است که ترکیب آن با سیستم های تصفیه ثانویه کوچک (مانند تالاب های ساخته شده) در مقایسه با روش های دیگر ارجحیت دارد. سرباره حاوی اکسیدهای فلزی مختلفی مانند اکسیدهای آهن و آلومینا است که ممکن است در کاهش فسفر از پساب های خانگی، کشاورزی و شهری موثر باشد. سرباره فولادی یک محیط متخلخل سبک وزن با مکان های متعدد برای جذب است. سرباره های فولادی به دلیل مواد معدنی مختلف، شار و فرآیند ساخت دارای خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوتی هستند. این تفاوت‌ها باعث ایجاد دامنه ظرفیت جذب فسفر با استفاده از سرباره شد که از 4/76 تا 8390 میلی‌گرم بر کیلوگرم متغیر بود. آزمایش های زیادی در آزمایشگاه برای ارزیابی ظرفیت جذب سرباره انجام شده است. این مطالعات نشان داده اند که سرباره یک بستر امیدوارکننده برای حذف فسفر است.