blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2020-9-693-698blackmet-1976Research ArticleЭКОЛОГИЯ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕECOLOGY AND RATIONAL USE OF NATURAL RESOURCESТоксические свойства и гидравлическая активность отвального доменного шлакаToxic properties and hydraulic activity of dump blast furnace slagХоботоваЭ. Б.KhobotovaE. B.

д.х.н., профессор кафедры технологии дорожно-строительных материалов и химии

61002, Харьков, ул. Ярослава Мудрого, 25

Dr. Sci. (Chem.), Professor of the Chair of T logy of Road Construction Materials and Chemistry

Kharkiv

elinahobotova@gmail.comИгнатенкоМ. И.IgnatenkoM. I.

к.т.н., доцент кафедры технологии дорожно-строительных материалов и химии

61002, Харьков, ул. Ярослава Мудрого, 25

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair of Technology of Road Construction Materials and Chemistry

Kharkiv

m_ignatenko@ukr.netКалюжнаяЮ. С.KalyuzhnayaYu. S.

к.т.н., доцент кафедры экологии

61002, Харьков, ул. Ярослава Мудрого, 25

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair of Ecology

Kharkiv

uskalmikova@gmail.comГрайворонскаяИ. В.GraivoronskayaI. V.

к.т.н., доцент кафедры метрологии и безопасности жизнедеятельности

61002, Харьков, ул. Ярослава Мудрого, 25

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair of Metrology and Life Safety

Kharkiv

inna_gra@ukr.netЛаринВ. И.LarinV. I.

д.х.н., директор Научно-исследовательского института химии

61022, Харьков, пл. Свободы, 4

Dr. Sci. (Chem.), Professor, Director of the Chemistry Research Institute

Kharkiv

ndichem@karazin.uaХарьковский национальный автомобильно-дорожный университетУкраинаKharkiv National Automobile and Highway UniversityUkraineХарьковский национальный университет имени В.Н. КаразинаУкраинаV.N. Karazin Kharkiv National UniversityUkraine202016112020639693698Copyright © Хоботова Э.Б., Игнатенко М.И., Калюжная Ю.С., Грайворонская И.В., Ларин В.И., 20202020Хоботова Э.Б., Игнатенко М.И., Калюжная Ю.С., Грайворонская И.В., Ларин В.И.Khobotova E.B., Ignatenko M.I., Kalyuzhnaya Y.S., Graivoronskaya I.V., Larin V.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1976

Металлургические шлаки накапливаются в больших количествах. Для дальнейшей утилизации они должны обладать н мыми техническими свойствами. Как один из основных факторов выступает химический и минеральный составы шлаков, оказывающие влияние на их конечные свойства. Элементный состав отвального доменного шлака ПАО «Запорожсталь», определенный методом электронно-зондового микроанализа, позволяет охарактеризовать фракции шлака с точки зрения токсичности. Элементы калий, натрий, сера, хлор, медь и титан, которые не входят в состав минералов, зарегистрированы сканирующим электронным микроскопом. Это позволяет предположить, что они сорбируются поверхностью минеральных частиц. Максимальное содержание калия, натрия и титана характерно для фракции 2,5 – 5,0 мм. Шлак содержит незначительное (менее 1 %) количество железа, титана и меди, которые относятся к третьему классу опасности вещества; это не препятствует дальнейшему использованию шлака. Определен третий класс опасности отвального доменного шлака. Гамма-спектрометрическим методом определены удельные активности и эффективные удельные активности гранулометрических фракций шлака. Обнаружены природные радионуклиды 40K, 226Ra и 232Th. Доказано, что шлак и его отдельные фракции относятся к первому классу радиационной опасности и могут быть использованы в строительстве без ограничений. Отвальный доменный шлак ПАО «Запорожсталь» характеризуется высокой гидравлической активностью с увеличением поглощения оксида кальция СаО во времени. Отвальный доменный шлак может быть рекомендован для производства вяжущих (портландцемента и шлакопортландцемента) по совокупности химических параметров: по отношению к умеренно опасным отходам производства, первому классу радиационной опасности и проявлению высокой гидравлической активности.

Metallurgical slags accumulate in large quantities. For further disposal, they must have the certain technical properties. Among the main factors there are chemical and mineral compositions of slags, which affect their final properties. Elemental composition of Zaporozhstal dump blast furnace slag, determined by electron probe microanalysis, makes it possible to characterize the slag fractions in terms of toxicity. Potassium, sodium, sulfur, chlorine, copper and titanium, which are not part of the minerals, are recorded by scanning electron microscope; this suggests that they are sorbed by mineral particles surface. The maximum content of potassium, sodium and titanium is typical for the 2.5 – 5.0 mm fraction. Slag contains an insignificant (less than 1 %) amount of metals – iron, titanium and copper, which belong to the third hazard class of the substance; this does not impede further use of the slag. The third hazard class of dump blast furnace slag has been identified. Volume activities and effective volume activities of granulometric slag fractions have been determined by gammaspectrometric method. 40K, 226Ra and 232Th natural radio nuclides have been found. It has been proven that slag and its individual fractions belong to the first class of radiation hazard and can be used in construction without restrictions. Zaporozhstal dump blast furnace slag is characterized by high hydraulic activity with an increase in absorption of calcium oxide CaO over time. Dump blast furnace slag can be recommended for production of binders (Portland cement and slag Portland cement) in terms of combination of chemical parameters: to moderately hazardous production wastes of the first class of radiation hazard with manifestation of high hydraulic activity.

отвальный доменный шлакэлементный составтоксичностькласс опасности веществарадиоактивностьприродные радионуклидыгидравлическая активностьdump blast furnace slagelemental compositiontoxicityhazard class of a substanceradioactivitynatural radionuclideshydraulic activityReferencesMotz H., Geiseler J. Products of steel slags an opportunity to save natural resources // Waste Management. 2001. Vol. 21. No. 3. P. 285 ‒ 293.Motz H., Geiseler J. Products of steel slags an opportunity to save natural resources. Waste Management. 2001, vol. 21, no. 3, pp. 285‒293.Хоботова Э.Б., Грайворонская И.В. Вторичное использование металлургических шлаков в качестве сорбентов при очистке сточных вод // Черные металлы. 2019. № 7. С. 55 – 61.Khobotova E.B., Graivoronskaya I.V. Secondary use of metallurgical slags as sorbents in wastewater treatment. Chernye metally. 2019, no. 7, pp. 55–61. (In Russ.).Tossavainen M., Engstrom F., Yang Q. etc. Characteristics of steel slag under different cooling conditions // Waste Management. 2007. Vol. 27. No. 10. P. 1335 ‒ 1344.Tossavainen M., Engstrom F., Yang Q. etc. Characteristics of steel slag under different cooling conditions. Waste Management. 2007, vol. 27, no. 10, pp. 1335‒1344.Baricová D., Pribulová A., Futáš P. etc. Change of the chemical and mineralogical composition of the slag during oxygen blowing in the oxygen converter process // Metals. 2018. Vol. 8. No. 10. P. 844 ‒ 857.Baricová D., Pribulová A., Futáš P. etc. Change of the chemical and mineralogical composition of the slag during oxygen blowing in the oxygen converter process. Metals. 2018, vol. 8, no. 10, pp. 844‒857.Ulubeyli G.C., Artir R. Sustainability for blast furnace slag: use of some construction wastes // World Conference on Technology, Innovation and Entrepreneurship, Procedia ‒ Social and Behavioral Sciences. 2015. Vol. 195. P. 2191 – 2198.Ulubeyli G.C., Artir R. Sustainability for blast furnace slag: Use of some construction wastes. World Conference on Technology, Innovation and Entrepreneurship, Procedia ‒ Social and Behavioral Sciences. 2015, vol. 195, pp. 2191–2198.Ochoa Díaz R. Blast furnace dust and phosphorous slag, new materials for use in road engineering // IOP Conference Series: Journal of Physics. 2017. Vol. 935. Article 012003.Ochoa Díaz R. Blast furnace dust and phosphorous slag, new materials for use in road engineering. IOP Conference Series: Journal of Physics. 2017, vol. 935, article 012003.Pribulova A., Futas P., Petrík J., Pokusová M. Comparison of cupola furnace and blast furnace slags with respect to possibilities of their utilization // Archives of Metallurgy and Materials. 2018. Vol. 63. No. 4. P. 1865 ‒ 1873.Pribulova A., Futas P., Petrík J., Pokusová M. Comparison of cupola furnace and blast furnace slags with respect to possibilities of their utilization. Archives of Metallurgy and Materials. 2018, vol. 63, no. 4, pp. 1865‒1873.Khobotova E.B., Kalmykova Yu.S. Environmental and chemical grounds for the utilization of blast furnace slag in the production of binders // Russian Journal of General Chemistry. 2012. Vol. 82. No. 13. P. 2180 – 2188.Khobotova E.B., Kalmykova Yu.S. Environmental and chemical grounds for the utilization of blast furnace slag in the production of binders. Russian Journal of General Chemistry. 2012, vol. 82, no. 13, pp. 2180–2188.Боброва З.М., Ильина О.Ю., Хохряков А.В., Цейтлин Е.М. Применение отходов горно-металлургических и металлургических производств в целях рационального природопользования // Изв. Уральского государственного горного университета. 2015. Т. 40. № 4. С. 16 ‒ 26.Bobrova Z.M., Il’ina O.Yu., Khokhryakov A.V., Tseitlin E.M. Use of waste from mining and metallurgical industries for rational use of natural resources. Izv. Ural’skogo gosudarstvennogo gornogo universiteta. 2015, vol. 40, no. 4, pp. 16‒26. (In Russ.).Кравченко В.П. Оценка гидравлической активности доменных шлаков // Вестник Приазовского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2010. Вып. 20. С. 44 ‒ 47.Kravchenko V.P. Assessment of hydraulic activity of blast-furnace slag. Vestnik Priazovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya: Tekhnicheskie nauki. 2010, no. 20, pp. 44‒47. (In Russ.).Wang H., Cui S.P., Wang Y.L. Influence of cooling ways on the structure and hydraulic activity of blast furnace slag // Key Engineering Materials. 2015. Vol. 633. P. 234 ‒ 239.Wang H., Cui S.P., Wang Y.L. Influence of cooling ways on the structure and hydraulic activity of blast furnace slag. Key Engineering Materials. 2015, vol. 633, pp. 234‒239.Wang H., Cui S.P., Wang Y.L. Influence of process conditions on the structure and hydraulic activity of air-cooling blast furnace slag // Materials Science Forum. 2015. Vol. 814. P. 476 ‒ 482.Wang H., Cui S.P., Wang Y.L. Influence of process conditions on the structure and hydraulic activity of air-cooling blast furnace slag. Materials Science Forum. 2015, vol. 814, pp. 476‒482.Chang P.-K., Lim Y. Effect of chemical composition on the latent hydraulic activity of blast furnace slag // Journal of the Korean Ceramic Society. 2000. Vol. 37. No. 5. P. 453 ‒ 458.Chang P.-K., Lim Y. Effect of chemical composition on the latent hydraulic activity of blast furnace slag. Journal of the Korean Ceramic Society. 2000, vol. 37, no. 5, pp. 453‒458.Bougara A., Lynsdale C., Milestone N.B. Reactivity and performance of blastfurnace slags of differing origin // Cement & Concrete composites. 2010. Vol. 32. No. 4. P. 319 ‒ 324.Bougara A., Lynsdale C., Milestone N.B. Reactivity and performance of blastfurnace slags of differing origin. Cement & Concrete composites. 2010, vol. 32, no. 4, pp. 319‒324.Bellmann F., Stark J. Activation of blast furnace slag by a new method // Cement and Concrete Research. 2009. Vol. 39. No. 8. P. 644 – 650.Bellmann F., Stark J. Activation of blast furnace slag by a new method. Cement and Concrete Research. 2009, vol. 39, no. 8, pp. 644–650.Калмыкова Ю.С., Хоботова Э.Б., Ларин В.И. Рациональные пути использования отвальных доменных шлаков // Енергетика: економіка, технології, екологія. 2016. № 1. С. 44 ‒ 50.Kalmykova Yu.S., Khobotova E.B., Larin V.I. Rational ways of using dump blast furnace slag. Energetika: ekonomіka, tekhnologії, ekologіya. 2016, no. 1, pp. 44‒50. (In Russ.).Molin F.D. Characterisation of radioactivity arising from the integrated steelworks in the UK and assessment of occupational exposure situations. A thesis submitted in fulfillment of the requirements of the University of Surrey for the degree of doctor of philosophy, 2018. – 281 p.Molin F.D. Characterization of radioactivity arising from the integrated steelworks in the UK and assessment of occupational exposure situations. A thesis submitted in fulfillment of the requirements of the University of Surrey for the degree of doctor of philosophy, 2018, 281 p.Ene A., Pantelică A. Characterization of metallurgical slags using low-level gamma-ray spectrometry and neutron activation analysis // Romanian Journal of Physics. 2011. Vol. 56. No. 7-8. P. 1011 – 1018.Ene A., Pantelică A. Characterization of metallurgical slags using low-level gamma-ray spectrometry and neutron activation analysis. Romanian Journal of Physics. 2011, vol. 56, no. 7-8, pp. 1011–1018.Johnson W.J. The effect of chemical composition of blast-furnace slag on compressive strength and durability properties of mortar specimens. Graduate Theses and Dissertation, 2017. – 83 p.Johnson W.J. The effect of chemical composition of blast-furnace slag on compressive strength and durability properties of mortar specimens. Graduate theses and dissertation, 2017, 83 p.Kasina M., Michalik M. Iron metallurgy slags as a potential source of critical elements ‒ Nb, Ta and REE // Mineralogia. 2016. Vol. 47. No. 1-4. P. 15 ‒ 28.Kasina M., Michalik M. Iron metallurgy slags as a potential source of critical elements ‒ Nb, Ta and REE. Mineralogia. 2016, vol. 47, no. 1-4, pp. 15‒28.Piatak N.M., Parsons M.B., Seal II R.R. Characteristics and environmental aspects of slag: A review // Applied Geochemistry. 2015. Vol. 57. P. 236 ‒ 266.Piatak N.M., Parsons M.B., Seal II R.R. Characteristics and environmental aspects of slag: A review. Applied Geochemistry. 2015, vol. 57, pp. 236‒266.Sasmita C., Biswajit P., Manish K. Short-term leaching study of heavy metals from LD slag of important steel industries in Eastern India // Journal of Material Cycles and Waste Management. 2017. Vol. 19. No. 2. P. 851 – 862.Sasmita C., Biswajit P., Manish K. Short-term leaching study of heavy metals from LD slag of important steel industries in Eastern India. Journal of Material Cycles and Waste Management. 2017, vol. 19, no. 2, pp. 851–862.Proctor D.M., Fehling K.A., Shay E.C. etc. Physical and chemical characteristics of blast furnace, basic oxygen furnace, and electric arc furnace steel industry slags // Environmental Science and Technology. 2000. Vol. 34. No. 8. P. 1576 ‒ 1582.Proctor D.M., Fehling K.A., Shay E.C. etc. Physical and chemical characteristics of blast furnace, basic oxygen furnace, and electric arc furnace steel industry slags. Environmental Science and Technology. 2000, vol. 34, no. 8, pp. 1576‒1582.Żak A., Isajenko K., Piotrowska B. etc. Natural radioactivity of wastes // Nukleonika. 2008. Vol. 55. No. 3. P. 387 – 391.Żak A., Isajenko K., Piotrowska B. etc. Natural radioactivity of wastes. Nukleonika. 2008, vol. 55, no. 3, pp. 387–391.ГОСТ 22688 – 77. Известь строительная. Методы испытаний. – М., 1977. – 19 с.GOST 22688 – 77. Izvest’ stroitel’naya. Metody ispytanii [GOST 22688 – 77. Building lime. Test methods]. Moscow, 1977, 19 p. (In Russ.).Хоботова Э.Б., Игнатенко М.И., Сторчак О.Г., Калюжная Ю.С., Грайворонская И.В. Минеральный состав отвальных доменных шлаков // Изв. вуз. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 10. С. 774 ‒ 781.Khobotova E.B., Ignatenko M.I., Storchak O.G., Kalyuzhnaya Yu.S., Graivoronskaya I.V. Mineral composition of dump blast furnace slag. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2019, vol. 62, no. 10, pp. 774‒781. (In Russ.).ДСанПіН 2.2.7.029 – 99. Гігієнічні вимоги щодо поводження з промисловими відходами та визначення їх класу небезпеки для здоров’я населення. – Киев, 1999. – 21 с.DSanPіN 2.2.7.029–99. Gіgієnіchnі vimogi shchodo povodzhennya z promislovimi vіdkhodami ta viznachennya їkh klasu nebezpeki dlya zdorov’ya naselennya [DSanPiN 2.2.7.029 – 99. Hygienic requirements for industrial waste management of and determining their hazard class for public health]. Kiev, 1999, 21 p. (In Ukr.).Хоботова Э.Б., Калмыкова Ю.С., Игнатенко М.И., Ларин В.И. Естественные радионуклиды доменных шлаков // Черные металлы. 2017. № 1. С. 23 – 28.Khobotova E.B., Kalmykova Yu.S., Ignatenko M.I., Larin V.I. Natural radionuclides of blast furnace slags. Chernye metally. 2017, no. 1, pp. 23–28. (In Russ.).Нормы радиационной безопасности Украины (НРБУ – 97) и основные санитарные правила работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизированных излучений. – Киев, 1998. – 159 с.Normy radiatsionnoi bezopasnosti Ukrainy (NRBU-97) i osnovnye sanitarnye pravila raboty s radioaktivnymi veshchestvami i drugimi istochnikami ionizirovannykh izluchenii [Radiation safety standards of Ukraine (NRBU-97) and basic sanitary rules for working with radioactive substances and other sources of ionized radiation]. Kiev, 1998, 159 p. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.