Оценка радиационного качества шлака ОЭМК для применения его в строительных композитах Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Фомина Е.В., канд. техн. наук, доц., Войтович Е.В., канд. техн. наук, Фомин А.Е., магистрант, Лебедев М.С., канд. техн. наук, Кожухова Н.И., канд. техн. наук Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

ОЦЕНКА РАДИАЦИОННОГО КАЧЕСТВА ШЛАКА ОЭМК ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ ЕГО В СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИТАХ *

[email protected]

Проведена радиационно-гигиеническая оценка шлака, согласно которой радиотоксичность шлака обусловлена содержанием в нем техногенных радионуклидов тория-232 и радия-226 (уран-238). Установлено нарушение радиоактивного равновесия в рядах урана и тория в процессе плавки стали, отражающееся в значительном количестве дочерних продуктов их распада, что свидетельствует о возможном непостоянстве радиоактивного фона и необходимости своевременного радиоактивного контроля. В комплексе радиационный мониторинг по гамма-фону излучения и эффективной удельной активности радионуклидов показывает, что все значения не превышают нормативных, и шлак может использоваться без ограничений по радиационному фактору для создания композиционных вяжущих и строительных материалов различного назначения.

Ключевые слова: сталеплавильный шлак, техногенный отход, композиционное вяжущее, строительные материалы, радиоактивность.

Ежегодно в сталеплавильном производстве Оскольского электрометаллургического комбината ОАО «ОЭМК» образуется около 400 тыс. тонн шлаковых отходов, что непременно способствует увеличению антропогенной нагрузки на природную среду. К настоящему времени накоплен определенный опыт использования сталеплавильных шлаков в строительной индустрии [1]. В связи с намеченной переориентацией промышленности строительных материалов на бетоны с пониженным содержанием цемента [2], сталеплавильный шлак является эффективным компонентом композиционных вяжущих [3, 4] при производстве цементного клинкера [5...7]. Содержание белитовой фазы в составе шлака позволяет применять его в качестве высокореакционного компонента сырьевой смеси в условиях гидротермального синтеза [8, 9].

Сталеплавильные шлаки являются продуктом плавления флюсующих пород (обычно известняков или извести), облегчающих плавку металлов и извлекающих из них вредные примеси, что отражается на формировании радиационного состава шлаков. Шлаки относят к техногенным образованиям 4-го класса опасности с низкой степенью их вредного воздействия на окружающую среду. Однако нестабильность формирующейся структуры шлаков, зависящая от колебания химического состава применяемой железной руды и условий плавки, не исключает изменение в составе шлака количества химических элементов, изотопы которых радиоактивны, в связи с чем возможен некоторый разброс данных от средних фоновых значений по радиоактивности. Радиоактивностью называется

способность к самопроизвольному распаду ядер атомов некоторых элементов (радионуклидов).

Радиационная активность шлаков зависит от содержания в них элементов тяжелых металлов, изотопы которых при некоторых условиях эксплуатации строительных изделий могут мигрировать в окружающую среду и отрицательно воздействовать на физиологические функции человека. В настоящее время известно свыше 40 естественно радиоактивных элементов, которые являются изотопами тяжелых металлов [10]. Внешнее гамма-облучение биологических индивидов определяется в основном радионуклидами ураново-радиевого и ториевого рядов, а также калия-40. В связи с этим радиоактивность сталеплавильного шлака обусловлена, в первую очередь, содержанием в нем радионуклидов семейства радия-226 (урана-238), тория-232, а также калия-40.

Химический состав шлака (масс. %): SiO2 -30,2; АЬОз - 5,57; Fe2Oз + FeO - 13,60; СаО -39,38; MgO - 8,10; Р2О5 - 0,1; &2О3 - 0,7; К2О -0,19; ^2О - 0,26; SO2 - 0,8; ТЮ2 - 0,30; ппп -0,8.

Определение концентрационных показателей фазового состава шлака осуществлялся по данным рентгенофазового анализа при помощи метода Ритвельда (табл. 1).

Исходя из химического и минералогического анализа, в шлаке содержатся тяжелые металлы в соединениях оксида железа FeO, а также высших оксидов железа Fe2Oз и железосодержащие минералы вюстита и магнетита. В качестве примесей содержатся оксиды Т^ Р, Сг, К, S,

которые могут являться радиоактивными составляющими сталеплавильного шлака [11].

На основании приведенного химического состава были рассчитаны основные критерии

качества шлака относительно его применения в строительном комплексе (табл. 2) согласно которым, шлак является высокоосновным первого сорта.

Рис. 1. Рентгенограмма шлака Фазовый состав шлака

Таблица 1

Наименование Содержание компонентов, вес. %

Сa2SiH2O5 20,42

у -С^ 17,65

Окерманит (2СаО^О^О>) 10,13

Мервинит (3СаО^О^Ю2) 8,26

а-кварц 2,4

Кальцит 4,88

Вюстит ^еО) 25,98

Магнетит ^еО^е2О3) 10,26

Таблица 2

Критерии качества шлака ОЭМК_

Критерий Расчетная формула Расчетные показатели

Модуль основности СаО + МдО Мо =- БЮ? + А1?03 1,327

Модуль активности Мо = ——— 0,18

Коэффициент по ГОСТ 31108-2003 ^ СаО + А1203 + МдО К ~ БЮ7 1,76

Коэффициент качества по ГОСТ 3476-74 ^ СаО + А1203 + МдО = БЮ? + ТЮ7 1,74

Радиационно-гигиеническую оценку шлака проводили радиометрическим, гамма-спектрометрическим (по альфа-, бета-, гамма-излучениям исследуемого материала) методам анализа на сертифицированной гамма-спектрометрической аппаратуре. Основными радиационно-гигиеническими показателями для оценки качества сырья по радиационному фактору при данном методе являются: удельная активность радионуклидов рядов радия-226 (ура-на-238), тория-232 и калия-40, эффективная

удельная активность объекта исследований, объемная активность радона и торона, плотность потока радона, мощность экспозиционной дозы гамма-излучения.

Радиационный мониторинг включал оценку содержания радиотоксичных техногенных радионуклидов. Относительная погрешность опреде-

7 40 226 232 137

ления Ве , К , Ra , ТЪ , Cs в воздушно-сухих пробах составляла 10...15 %, экспозиция - 3600 с, масса пробы 1500 г.

Таблица 3

Результаты гамма-спектрометрического анализа шлака

МЭД, Удельная радиоактивность, Бк/кг Аэфф.,

мкЗв/ч ТР8 ВР2 РЬ212 Яа226 ТЪ232 К40 Бк/кг

0,08 9.0±3.6 44±13 60±25 21.3±3.6 23.6±4.3 9±4 53±10

По результатам исследования значения гамма-излучения шлака составляет 0,08 мкЗв/ч, гамма-фона и мощность экспозиционной дозы что входит в пределы нормативных значений

для биологических индивидов. Содержание радионуклидов ряда урана-238 и тория-232, которые являются источником радиоактивного газа радона и дочерних продуктов его распада, излучающих альфа-частицы, относящиеся к плотно ионизирующей радиации с высоким коэффициентом радиационного риска, представляющих особую опасность и вносят до 80 % радиоизлучения в общую дозу облучения. В значимых количествах содержатся дочерние продукты распада РЬ212, ВР12, ТР8, которые не влияют на радиационную оценку шлака, но свидетельствуют о нарушениях радиоактивного равновесия в рядах урана и тория в процессе плавки стали и попадании токсичных радионуклеидов (радия-226 и продукта его распада родон), как в состав шлака, так и, вероятно, в окружающую среду. Данный факт свидетельствует о возможном непостоянстве радиоактивного фона шлаков и необходимости своевременного радиоактивного контроля.

К40

2%

Оценку влияния токсичных радионуклидов с учетом их биологического воздействия на организм человека проводили по их суммарной удельной активности, выражаемой в виде эффективной удельной активности радионуклидов (Аэфф). Показатель удельной эффективной активности естественных радионуклидов является основным при выработке критериев радиационной безопасности и рассчитывается по формуле:

Аэфф = ARa+ 1,31АТЬ+ 0,085АК,

где ARa, АТ^ АК - удельные эффективные активности Иа, Т^ К, соответственно, Бк/кг.

Эффективная удельная активность естественных радионуклидов шлака с учетом неопределенностей измерений составляет 53 Бк/кг. Наибольший вклад (58 %) в Аэфф вносит торий-232, 40% - вносит радий-226 (уран-238), вклад калия-40 - 2 % (рис. 2).

Ra226 40%

Рис. 2. Вклад радионуклидов в Аэфф шлака (% отн.)

Таким образом, установлено, что в сталеплавильном шлаке ОАО «ОЭМК» присутствует потенциально радиоактивные элементы тяжелых металлов в виде FeO и Fe2Oз, минералы вюстита и магнетита. В качестве примесей содержатся оксиды Т^ Р, Сг, К, S. Значения гамма-фона и мощность экспозиционной дозы гамма-излучения шлака составляет 0,08 мкЗв/ч. Аэфф шлака составляет 53 Бк/кг, наибольший вклад (58 %) в Аэфф вносит торий-232 и радий-226 (уран-238) (40 %). Установлены нарушения радиоактивного равновесия в рядах урана и тория в процессе плавки стали, отражающиеся в значительном содержании в шлаке дочерних продуктов распада РЬ212, ВР12, ТР8, однако в комплексе это существенно не сказывается на радиоактивности шлака. Согласно НРБ-99/2009 и ГОСТ 30108-94 шлак относится к 1 классу материалов и может использоваться без ограничений по радиационному фактору для всех видов строительства.

* Работа выполнена в рамках государственного задания №14.2406.2014/к; гранта РФФИ № 14-33-50291; программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Лесовик В.С., Загороднюк Л.Х., Шахова Л.Д. Техногенные продукты в производстве сухих строительных смесей. Белгород: Изд-во БГТУ, 2010. 168 с.

2. Алфимова Н.И., Лесовик В.С., Савин А.В., Шадский Е.Е. Перспективы применения композиционных вяжущих при производстве железобетонных изделий // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2014. № 5 (88). С. 95-99.

3. Шаповалов Н.А., Загороднюк Л.Х., Ти-кунова И.В., Щекина А.Ю. Рациональные пути использования сталеплавильных шлаков // Фундаментальные исследования. 2013. № 1-2. С.439-443.

4. Лесовик В.С., Агеева М.С., Иванов А.В. Гранулированные шлаки в производстве композиционных вяжущих // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2011. №3. С. 29-32.

5. Шилова И.А. Энергосбережение и повышение качества цементного клинкера с использованием шлако-мело-известковой смеси // Успехи в химии и химической технологии. 2008. № 7 (87). Т. 22. С. 63-68.

6. Классен В.К., Шилова И.А., Текучева Е.В. Особенности процессов клинкерообразова-ния и гидратации цемента при использовании в качестве сырьевых компонентов сталеплавильных шлаков и частично декарбонизированного мела // Техника и технология силикатов. 2007. Т. 14. № 2. С. 2-10.

7. Шилова И.А. Энергосбережение и повышение качества цементного клинкера с использованием шлако-мело-известкового компонента: Автореф. дис. канд. техн. наук. Белгород, 2007. 18 с.

8. Кудеярова Н.П., Гостищева М.А. Гидра-тационная активность минералов сталеплавильных шлаков в автоклавных условиях // Строительные материалы. 2007. № 8. С. 34-35.

9. Фомина Е.В. Особенности твердения композиционных вяжущих в технологии автоклавных ячеистых материалов: Автореф. дис. канд. техн. наук. Белгород, 2007. 16 с.

10. Пугин К.Г., Вайсман Я.И., Волков Г.Н., Мальцев А.В. Оценка негативного воздействия на окружающую среду строительных материалов, содержащих отходы черной металлургии // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 2 [Электронный ресурс]. URL: www.science-education.ru/102-5990 (дата обращения: 06.08.2015).

11. Скребцов А.М. Радиоактивные изотопы в сталеплавильных процессах. М.: Изд. Металлургия, 1972. 304 с.

Fomina E.V., Voitovich E.V., Fomin A.E., Lebedev M.S., Kozhukhova N.I.

ASSESSMENT OF RADIATION QUALITY SLAG OEMK FOR USE OF ITS COMPOSITES

IN CONSTRUCTION

Radiation and sanitary estimation of slag show the radiotoxicity is connected to content in of thorium-232 and radium-226 (uranium-238) radionuclides. Disturbance of radioactive balance in the ranks of uranium and thorium when steel melt is determined, that reflexed on significant quantity of its degradation daughter product and indicates to possible variability of radioactive background and necessity of radioactive control in time. In totality, radiation monitoring on gamma-ray radiation background and effective specific activity of radionuclides shows, all parameters are less then norm ones and slag can be used without limitation according to radiation factor for production of composite binders and construction materials of different purpose.

Key words: steelmaking slag, industrial waste, composite binder, construction material, radioactivity.