Βελτίωση μηχανικών / φυσικών ιδιοτήτων σκωρίας ηλεκτρικού κλιβάνου για χρήση ως αδρανούς υλικού σε σκυροδέματα

Abstract

The thesis deals with the modification of the production process incorporated in electric arc furnaces in steel industry. The modifications are targeting towards valorisation of the largest-in-volume by-product, electric arc furnace slag. The objective of the research is the modification of physical properties of slag by initiating soluble solids as well as intervention in the cooling process. The objectives also include study of physical properties of the modified slag, implementation of the new by-product in cement concrete as well as the economic feasibility of the project. The research is specifically aiming at the reduction of the specific weight of slag. The most important finding is the reduction of specific weight by 7,5% compared to unmodified slag, with the addition of 10% perlite. The decrease in specific weight is achieved in two modification procedures. The addition of the rest of the soluble solids is not inducing considerable change in specific weight, while, in some cases (bauxite, olivine), specific weight is increased. The addition of solids alters the microstructure and chemical composition of the slag, while changes on the physical properties concerning durability (LA index, abrasion, PSV, wear) are not statistically significant. The number of observed phases and the homogeneity of slag grains, as proved by SEM images, depend both on the presence and nature of the added solid as well as on the cooling method. The same factors have significant impact on water absorption. The increase in percentage of solid in the mix linearly alters the specific weight of the mix. Practically, however, the addition can take specific maximum values, which are set by the steel producer in order to allow unhindered operation of the EAF (basicity indices). Comparison between the two processes shows that the addition of solids inside the EAF presents significant benefits and is evaluated as the best practice as (a) added solid is fully utilized and, (b) uniformity in slag composition is achieved. The test results on the industrial scale samples show that both modified and unmodified slag aggregates meet the demands set by international and domestic specifications (EN 12620, ΚΤΣ '97) as well as special requirements (volume stability). The economic benefits are significant for steel industry, the slag processor but also for the end user. For the steel industry, the modifications initially induce additional costs related to the supply of soluble solid. The benefits, on the other hand, by improving melting efficiency, counterbalance the costs. For slag processor, the cost is expected to increase. The cost of treatment depends on energy costs. The economic profits from the modification can be calculated considering the end use. For concrete with modified slag aggregates, the economic profit, expressed in terms of price increase compared to unmodified slag, is inversely proportional to the specific gravity. The profit (final/original price ratio) is high for low prices of unmodified slag aggregates and tends to decrease as the price increases. In the case of asphaltic concrete the benefit is significantly higher due to higher transportation and production costs compared to concrete production.

Η διατριβή πραγματεύεται παρεμβάσεις στην παραγωγική διαδικασία των χαλυβουργείων με κλίβανους ηλεκτρικού τόξου με στόχο την αποτελεσματικότερη αξιοποίηση της σκωρίας ηλεκτρικού κλίβανου. Αντικείμενο της έρευνας αποτελεί η μεταβολή των φυσικών ιδιοτήτων της σκωρίας με την προσθήκη υλικών (διαλυτών στερεών) και περιορισμένων παρεμβάσεων στην παραγωγική διαδικασία του χαλυβουργείου. Αντικείμενα αποτελούν επιπλέον η μελέτη των φυσικών ιδιοτήτων του τροποποιημένου παραπροϊόντος, εφαρμογή του σε τσιμεντοσκυροδέματα καθώς και η οικονομική διερεύνηση σκοπιμότητας του εγχειρήματος. Ειδικότερα, η έρευνα στοχεύει στη μείωση του ειδικού βάρους της σκωρίας χωρίς να μειωθούν τα τεχνικά οφέλη που προσδίδονται στα σκυροδέματα από τη χρήση σκωριοαδρανών. Στα συμπεράσματα της έρευνας συμπεριλαμβάνεται η μείωση του ειδικού βάρους κατά 7,5% με προσθήκη περλίτη σε αναλογία 10% κ.β. σκωρίας. Η μείωση του ειδικού βάρους επιβεβαιώνεται από δύο διαδικασίες τροποποίησης. Κατά την παρατήρηση των υπόλοιπων μειγμάτων σκωρίας-διαλυτών στερεών δε διαπιστώνεται αξιόλογη μεταβολή του ειδικού βάρους, ενώ σε κάποιες περιπτώσεις (βωξίτη, ολιβίνη) παρατηρείται αύξηση. Η προσθήκη διαλυτών στερεών μεταβάλει σημαντικά τις παρατηρούμενες φάσεις και χημική σύσταση της σκωρίας, ενώ δε μεταβάλει στατιστικώς σημαντικά τους δείκτες ανθεκτικότητας (αντίσταση σε τριβή και κρούση, λείανση, απότριψη, υγείας). Ο αριθμός φάσεων, το υπόβαθρο και η ομοιογένεια στις αποτυπώσεις SEM εξαρτώνται τόσο από την παρουσία και το είδος του προστιθέμενου διαλυτού στερεού, όσο και από τη μέθοδο ψύξης. Οι ίδιοι παράγοντες έχουν σημαντική επίπτωση στις τιμές του δείκτη απορρόφησης υγρασίας. Το ποσοστό προσθήκης διαλυτού στερεού μεταβάλλει σχεδόν γραμμικά τις τιμές ειδικών βαρών. Πρακτικά, όμως, η προσθήκη διαλυτών στερεών στη σκωρία μπορεί να λάβει συγκεκριμένες μέγιστες τιμές, καθώς θέτονται περιορισμοί για την εύρυθμη λειτουργία του χαλυβουργείου (δείκτες βασικότητας). Η σύγκριση μεταξύ των διαδικασιών αποδεικνύει ότι η προσθήκη διαλυτών στερεών στη σκωρία εντός του ηλεκτροκλίβανου, επιφέρει σημαντικά οφέλη και αξιολογείται ως η βέλτιστη πρακτική καθώς, αφενός, αξιοποιείται το σύνολο της ποσότητας και, αφετέρου, επιτυγχάνεται ομοιομορφία στους κόκκους. Κατά τις εργαστηριακές δοκιμές σε δείγματα από βιομηχανική παραγωγή προκύπτει πως τροποποιημένα και ατροποποίητα σκωριοαδρανή ικανοποιούν πλήρως τα όρια των προτύπων για τα αδρανή σκυροδέματος (ΕΝ 12620, ΚΤΣ ’97) όπως και ειδικότερες απαιτήσεις (π.χ. σταθερότητα όγκου). Επιπλέον, παρατηρείται αύξηση της συγκέντρωσης δραστικού πυριτίου ως απόρροια των προαναφερόμενων παρεμβάσεων. Από τις παρεμβάσεις προκύπτουν οικονομικά οφέλη για το χαλυβουργείο, τον επεξεργαστή σκωρίας, αλλά και για τον τελικό χρήστη. Αναλυτικότερα, για το χαλυβουργείο, οι προτεινόμενες παρεμβάσεις επιφέρουν επιπρόσθετο κόστος από την προμήθεια των πρόσθετων διαλυτών στερεών, το οποίο, όμως, είναι ιδιαίτερα περιορισμένο. Το όφελος της παρέμβασης επικεντρώνεται στη βελτίωση της αποδοτικότητας, αντισταθμίζοντας το κόστος. Για τον επεξεργαστή της σκωρίας, το κόστος αναμένεται να αυξηθεί. Με βάση τεκμηριωμένες παραδοχές το κόστος επεξεργασίας εξαρτάται από το κόστος ενέργειας. Το οικονομικό όφελος από τις παρεμβάσεις είναι δυνατό να υπολογισθεί λαμβάνοντας υπόψη την τελική χρήση. Για την περίπτωση παρασκευής τσιμεντοσκυροδέματος με τροποποιημένα σκωριοαδρανή, το όφελος, εκφρασμένο ως ποσοστό αύξησης της τιμής πώλησης σε σχέση με τα ατροποποίητα σκωριοαδρανή, είναι αντιστρόφως ανάλογο του ειδικού βάρους. Το όφελος είναι αυξημένο σε χαμηλές τιμές ατροποποίητων σκωριοαδρανών και περιορίζεται σε υψηλότερες. Στην περίπτωση των επιφανειακών, ασφαλτικών επιστρώσεων το όφελος είναι σημαντικά υψηλότερο, καθώς τα συνακόλουθα κόστη μεταφορών και παρασκευαστηρίου είναι υψηλότερα σε σχέση με την παρασκευή τσιμεντοσκυροδέματος.