Silicate phases as the component of waste material after steel and iron industry, for example the Kościuszko Steel Works waste dump

W przeszłości hutnictwo żelaza i stali było jedną z najbardziej rozwiniętych gałęzi przemysłu na Górnym Śląsku. Obecnie wiele zakładów zostało już zamkniętych lub ich działalność została znacznie ograniczona. Pozostałością po nich są zwałowiska odpadów, m.in. zwałowisko Herman w Chorzowie, powstałe w wyniku działalności Huty Kościuszko. Odpady po hutnictwie żelaza i stali są coraz częściej wielokierunkowo wykorzystywane, co wymusza konieczność prowadzenia badań nie tylko właściwości technicznych odpadów, ale także analiz mineralogiczno- geochemicznych, gdyż pomimo upływu lat składniki odpadów nadal zawierają metale ciężkie, które uwalniane podczas procesów wietrzenia mogą się stać przyczyną zanieczyszczenia środowiska. W artykule przeprowadzono analizę mineralogiczną faz krzemianowych, stanowiących jeden z podstawowych składników odpadów. Stwierdzono, że charakteryzują się one zróżnicowanym składem chemicznym, często znacznie odbiegającym od składu minerałów występujących w naturalnych skałach, zawierają liczne wrostki oraz podstawienia metali ciężkich.In the Upper Silesia iron and steel industry was one of the best developed branches of industry. There are still dumping grounds in many Silesian cities although many steel works have been closed down or their activities have been considerably reduced. The ecological hazard can be illustrated by the dump in Chorzów, left by the Kościuszko Steel Works. The waste after steel and iron industry, despite long storage, still contains considerable amounts of elements, including heavy metals, which are continually released during progressive weathering processes and this is a reason why the dumps are dangerous for environment. The article presents results of research on silicate phases. The silicate phases are one of the basic component of slags and are characterized by the diversified chemical composition. Heavy metals are present in the structure of silicate phases and they also form inclusions in these minerals

Characteristic of forms of iron occurrence in selected metallurgical wastes

W artykule zaprezentowano wyniki badań mineralogiczno-geochemicznych kilku rodzajów odpadów hutniczych powstałych w różnych procesach związanych z produkcją żelaza i stali, a także żeliwa i staliwa. Uwagę skupiono na zawartości w nich żelaza oraz formach i sposobie jego powiązania ze składnikami odpadów. Żelazo, które w wymienionych procesach hutniczych stanowi najistotniejszy pierwiastek, może również w pewnej części przechodzić do materiału odpadowego. W związku z tym coraz częściej pojawiają się plany wtórnego odzysku żelaza z odpadów lub bezpośredniego zawracania materiału odpadowego do procesu hutniczego. Podejmowanie tego typu decyzji wymusza konieczność poznania form występowania żelaza w odpadach. Przeprowadzone badania wykazały, że pierwiastek ten może występować zarówno w postaci metalicznej, jak również tworzyć własne fazy siarczkowe lub tlenkowe oraz występować w postaci podstawień w strukturze wewnętrznej faz krzemianowych oraz być rozproszony w szkliwie.Article presents the results of mineralogical and geochemical research of several types of metallurgical wastes produced in various processes associated with the production of iron and steel as well as cast iron and cast steel. Attention has been focused on the content of iron as well as forms of iron occurrence and its relationships with waste components. Iron, which in metallurgical processes is one of the most important elements, can also move to the waste material. As a result, more andmore often, there are plans of the secondary recovery of iron from wastes or recycling of waste material direct for the metallurgical processes. Before taking such decisions, it is necessary to know the forms of iron occurrence in wastes. The study showed that this element may be either in metallic form, as well as create their own phases (oxide or sulfide); iron can also forms substitutions in the internal structure of the silicate phases or can be dispersed in glaze

Microstructures of Metallurgical Slags

The article characterizes microstructures of metallurgic slag of varying age remaining from the production of iron and steel and the Zn-Pb ore processing in relation to magmatic rocks and ores. Based on microscopic observations - among others - hypocrystalline, hyaline and felsite (characteristic for magmatic rocks) microstructures were observed in the slag. Also microstructures related to ores, including framework and dendritic, colomorphic and corrosive structures were noted. The diversity of the microstructures presented in the article is a result of the differentiation in the formations of individual components of the slags, which depends, inter alia, on the method and the rate of cooling of the alloys

Research on morphology of phase components of iron slags by means of scanning microscopy

Badania mineralogiczne żużli stalowniczych dostarczają informacji na temat faz powstających w piecu hutniczym. Ich skład chemiczny często jest bogatszy od ich naturalnych odpowiedników, tworzą one zróżnicowane formy będące wynikiem zmienności warunków krystalizacji ze stopu żużlowego. Wpływa to na tempo wzrostu kryształów i ich wykształcenie; ta sama faza krystaliczna może tworzyć odmienne formy morfologiczne, których charakterystykę umożliwiły badania przy wykorzystaniu mikroskopii skaningowej. Wytrącenia metaliczne oraz fazy tlenkowe metali (np. wüstyt, manganosyt) tworzą formy kuliste. Wśród tlenków jednym z charakterystycznych składników żużli jest roztwór stały FeO-MgO-MnO, tworzący formy szkieletowe. Różnorodność form morfologicznych wykazuje hematyt: tworząc naskorupienia, tabliczki oraz płytki ułożone w promieniste skupienia. Pokroje oktaedryczne zaobserwowano dla sporadycznie pojawiającego się korundu. Wśród krzemianów wyróżniono tabliczki akermanitu oraz krzemiany dwuwapniowe (larnit, bredigit) o zróżnicowanym pokroju: źle wykształconych tabliczek, ziaren, wydłużonych kryształów. Składniki wtórnie krystalizujące w porach żużli składowanych na zwałowiskach reprezentowane są przez gips wykształcony w postaci igiełek oraz form włóknistych, a także kalcyt o pokroju romboedrów lub kulistych wytrąceń. Tak znaczna ilość mineralnych składników fazowych oraz różnorodność ich form morfologicznych świadczy o bogatym i złożonym składzie fazowym żużli hutniczych, który zmienia się wraz z rodzajem wsadu hutniczego oraz dodatkami i topnikami zastosowanymi w procesie hutniczym.Mineralogical research on iron slags provides information on the phases that come into being in metallurgical furnaces. Their chemical composition is often richer than that of their natural counterparts; they create diverse forms resulting from the variability of crystallization conditions of a slag alloy. It influences the growth and formation of crystals; the same crystal phase may create different morphological forms. Their characteristics were enabled by the research using scanning microscopy. Metallic precipitations and metal oxide phases (wustite, manganosite) create spherical forms. One of the characteristic components of slags among oxides is the solid solution FeO-MgO-MnO, which crystallizes in the skeletal forms. Hematite shows a variety of forms: crust, plates and strips laid in radiant aggregates. Octahedral habits were observed in corundum, which appears sporadically. Among silicates, there were akermanite plates and two-calcium silicates (larnite, bredigite) with a varied habit: poorly formed plates, grains and elongated crystals. The components that crystallize secondarily in pores of the slags stored at dumping grounds are represented by crystallizing gypsum in the needles and fibrous forms, as well as by calcite with the habit of rhombohedrons or spherical precipitations. Such a substantial amount of phase components and the variety of their morphological forms are a proof of the rich and complex phase composition of metallurgical slags, which changes with the type of metallurgical feed as well as additions and fluxes used in the metallurgical process

Forms of calcium occurrence in slags after steel production

W artykule przedstawiono jeden z etapów badań mineralogicznych, którego celem było określenie form występowania wapnia w żużlach stalowniczych. Wapń w żużlach jest jednym z głównych pierwiastków, jego zawartość może przekraczać nawet 30% mas., co zapewnia żużlom alkaliczny charakter. Forma związania wapnia ze składnikami żużli jest niezwykle istotna, gdyż od ich odporności na działanie procesów wietrzenia zależy stopnień wymywania wapnia. Utrata właściwości alkalicznych przez żużle może być przyczyną uwalniania z nich metali ciężkich, które migrując wraz z roztworami, staną się źródłem zanieczyszczenia środowiska. Jest to ważne zagadnienie zwłaszcza podczas prac mających na celu gospodarcze wykorzystanie żużli stalowniczych.The article presents one of the stages of mineralogical studies, the aim of which was to determine forms of calcium occurrence in the slags after steel production. Calcium in the slags is one of the main elements, its content can exceed even 30 Mass%, what provides alkaline character of slags. Forms of calcium connections with slag components are extremely important because from their resistance to weathering processes depend degree of calcium leaching. Loss of the alkali properties of slags can be a reason of heavy metals release. Migration of metals with solutions could be a source of environmental pollution. This is an important issue especially during the economic utilization of slags after steel production

Mineral and chemical characteristic of glazes from metallurgical slag

Żużle hutnicze coraz częściej są obiektem zainteresowania pod kątem możliwości ich wykorzystania, zwłaszcza jako materiału do produkcji różnego rodzaju kruszyw. W związku z tym konieczne jest dokładne poznanie tego materiału nie tylko z uwagi na jego właściwości techniczne, ale także ze względu na skład mineralogiczno-chemiczny, który może dostarczyć wielu cennych informacji podczas gospodarczego wykorzystania żużli. Jednym z głównych składników żużli hutniczych - obok skupień metalicznych, faz krzemianowych i tlenkowych - jest szkliwo. Na podstawie badań przeprowadzonych na próbkach żużli po hutnictwie stali oraz rud Zn-Pb pobranych z wybranych zwałowisk na terenie Górnego Śląska, przedstawiono kolejne etapy procesu dewitryfikacji szkliwa; od jego izotropowych fragmentów o gładkiej powierzchni do szkliwa przeobrażonego, silnie spękanego o brązowo-czerwonym zabarwieniu. Spękania często wypełnione są drobnym nalotem tlenkowych faz metali wydzielających się ze szkliwa w trakcie jego dewitryfikacji. Na podstawie analizy w mikroobszarach ustalono skład chemiczny szkliwa, który jest zmienny i zależny od rodzaju żużli, z jakimi związane jest szkliwo. Dominują w nim: Si, Al, Fe oraz Ca i Mg. Szkliwo odpadów stalowniczych zawiera ponadto domieszki Mn, P, S, natomiast w szkliwie z żużli po hutnictwie rud Zn-Pb stwierdzono obecność metali ciężkich: As, Cd, Cu, Mn, Ni, Pb, Ti i Zn, a także alkaliów, fosforu i siarki.Metallurgical slag is often treated as a material which could be used in the waste management, especially for production different kinds of aggregate. So it is necessary to know that material not only considering technical properties, but also its mineral and chemical composition. Such researches could deliver many valuable information during the waste utilization. Researches were made for samples of the metallurgical slag after steel and Zn-Pb production. Samples were taken from chosen dumps localized in the Upper Silesian District. Beside metallic aggregates, silicate and oxide phases, glaze is one of the main component of the metallurgical slag. The following stages of the glaze devitrification were presented; from not transformed and isotropic glaze pieces to the strong weathered glaze. Transformed glaze is red or brown with the cracks on the surface. Cracks are often filled by the metals oxides, which can be liberated during the glaze devitrification. On the base of researches executed using the electron microprobe the chemical glaze composition was presented. The chemical composition of the glaze is variable what is connected with the kind of the metallurgical slag. The following main elements were distinguished in the metallurgical slag: Si, Al, Fe, Ca and Mg. Slag after steel production contains also Mn, P, S and the slag after Zn-Pb production contains: As, Cd, Cu, Mn, Ni, Pb, Ti, Zn, Na, K, P and S

Forms of occurrence of selected metals in metallurgical slags in comparison with their geochemical properties

Badania składu chemicznego żużli hutniczych pochodzących zarówno z bieżącej produkcji, jak i składowanych przez wiele lat na zwałowiskach wykazały, że są one bardzo zróżnicowane. Żużle zawierają znaczne ilości metali, w tym metali ciężkich, obok pierwiastków z grupy niemetali i lantanowców. W artykule na podstawie badań mineralogiczno-chemicznych żużli stalowniczych oraz żużli po produkcji stali i rud Zn-Pb, scharakteryzowano formy występowania i powiązania ze składnikami fazowymi wybranych metali: żelaza, manganu, cynku, ołowiu i in. Stwierdzono, że metale w żużlach hutniczych mogą występować w postaci drobnych kropli nie oddzielonych od żużla w procesie hutniczym, tworzyć skupienia polimetaliczne, własne fazy (zwłaszcza tlenkowe) oraz ukrywać się w strukturach faz krzemianowych. Znaczna ilość metali jest rozproszona w szkliwie i substancji amorficznej. Prowadzone badania dostarczają informacji na temat występowania metali w żużlach hutniczych, co jest szczególnie istotne podczas wykonywania prac związanych z gospodarczym wykorzystaniem żużli. Dotyczy to zwłaszcza coraz częściej podejmowanych prób pozyskiwania pierwiastków z żużli hutniczych. Działania te determinują konieczność analizy składu chemicznego i fazowego żużli, gdyż mogą stanowić ważną wskazówkę np. przy opracowywaniu odpowiedniej technologii odzysku pierwiastków.Research of metallurgical slags chemical composition, originating both from current production as well as gathered in dumping grounds formany years, show that they are very diversified. Slags contain substantial amounts of metals, including heavy metals, apart from elements from groups of non-metals and lanthanoids. In the article occurrence forms and relations with phase components of selected metals (iron, manganese, zinc, lead and others) on the basis of mineralogical and chemical research on slags after steel and ore Zn-Pb production were characterized. It was stated that metals may occur in metallurgical slags as fine drops not separated from slag during a metallurgical process, may form polymetallic aggregates, their own phases (especially oxide ones) and hide in structures of silicate phases. A considerable amount of metals is dissipated in glaze and amorphous substance. The conducted research delivers information on the occurrence of metals in metallurgical slags, which is extremely important during work connected with economic exploitation of slags. It especially refers to increasing attempts of acquiring elements from metallurgical slags. These activities determine the necessity of analyzing chemical and phase composition of slags because they may be an important indication, for instance while working on a proper technology of elements recovery

Geochemical characteristics of selected critical elements in slags after Zn-Pb ore metallurgy

Surowce krytyczne charakteryzują się dużym znaczeniem gospodarczym, ale też jednocześnie dużym ryzykiem niedoboru dostaw. Obecnie podejmowane są działania mające na celu poprawę stanu wiedzy na ich temat, co ma doprowadzić do utworzenia w 2020 roku ogólnoeuropejskiej bazy wiedzy o możliwościach ich pozyskiwania. W grupie wyróżnionych 27 surowców krytycznych znaczną część stanowią pierwiastki krytyczne. Obok źródeł naturalnych pierwiastki krytyczne mogą także występować w materiałach odpadowych, w tym w żużlach po hutnictwie rud Zn-Pb. Przeprowadzone badania wykazały, że w ich składzie chemicznym w największych ilościach występują: W, Co, Ce, Y, La, Sc, w śladowych ilościach oznaczono: Dy, Pd, Pt, Ir. Żaden z tych pierwiastków nie tworzy w analizowanych żużlach własnych faz krystalicznych; występują one w stanie rozproszonym w substancji amorficznej lub tworzą podstawienia w strukturze wewnętrznej innych faz. Stwierdzono, że precyzyjne oznaczenie zawartości danego pierwiastka oraz określenie form jego występowania wymusza konieczność prowadzenia kompleksowych analiz w oparciu o kilka wzajemnie uzupełniających się metod.Critical raw materials are characterized by a high economic importance, but also by a high risk of shortage of supplies. Currently, some actions of improving a state of knowledge about them are taken. In 2020, it should be lead to the creation of a pan-European knowledge database about the possibilities of their obtaining. In the group of distinguished 27 critical raw materials, critical elements are a significant part. Apart from natural sources, critical elements may also appear in waste materials, including slags from the Zn-Pb ore industry. Researches showed that in their chemical composition W, Co, Ce, Y, La, Sc are concentrated in the largest amounts. In trace amounts: Dy, Pd, Pt, Ir were also noticed. In the analyzed slags none of these elements creates their own crystalline phases; they are dispersed in an amorphous substance or they form substitutions in the internal structure of other phases. Researches have shown that the precise determination of content of a given element and the determination of its occurrence, require the necessity of conducting comprehensive analyzes based on several complementary methods

Zróżnicowanie składu fazowego odpadów hutniczych po produkcji żeliwa i staliwa

Basing on mineralogical studies, the characteristic of phase composition was carried out with respect to slags after the production of cast iron and wastes from casting moulds after the production of cast steel. Their composition is dominated by glaze, metallic precipitations and oxide phases, e.g. wustite, and they contain a considerably smaller amount of silicate phases represented by olivines, fayalite or fosterite. These wastes are characterized by different phase composition or chemical composition which depends on the technological process and charge material.W oparciu o badania mineralogiczne dokonano charakterystyki składu fazowego żużli po produkcji żeliwa oraz odpadów z form odlewniczych po produkcji staliwa. W ich składzie dominuje szkliwo, wytrącenia metaliczne oraz fazy tlenkowe np. wüstyt. w znacznie mniejszych ilościach występują w nich fazy krzemianowe reprezentowane przez oliwiny: fajalit lub forsteryt. Odpad)' te charakteryzują się odmiennym składem fazowym i chemicznym, który jest zależny od procesu technologicznego oraz rodzaju materiału wsadowego

Characteristics of near-surface part of the Orzesze beds in the region of the main saddle in view of weathering processes

W artykule scharakteryzowano przypowierzchniową część warstw orzeskich w rejonie siodła głównego. W profilu litologicznym omawianego rejonu stwierdzono obecność iłowców przewarstwionych piaskowcami oraz występujące na powierzchni piaski. Wśród iłowców nawiercono warstwę węgla. Obserwacje terenowe z użyciem kamery, bezpośrednio w wykonanych otworach wiertniczych oraz badania laboratoryjne pobranych próbek skał wykazały znaczny stopień zwietrzenia utworów klastycznych. W obrębie warstw piaskowców w wyniku oddziaływania czynników wietrzenia tworzą się szczeliny oraz pustki skalne, którymi w głębsze partie górotworu swobodnie przesącza się woda opadowa. Piaskowce w składzie mineralnym zawierają przede wszystkim kwarc, któremu w mniejszych ilościach towarzyszą plagioklazy, łyszczyki, okruchy skalne i minerały ciężkie. Spoiwo piaskowców jest typu cement, ilasto-węglanowe. Występujące na powierzchni piaski stanowią ich zwietrzelinę, o czym świadczą podobne cechy teksturalne obu osadów. Iłowce bogate są w kaolinit i kwarc; w ich składzie stwierdzono również minerały z grupy smektytu. Charakteryzują się bardzo dużą nasiąkliwością, co prowadzi do ich pęcznienia i rozmywania. Stwierdzono, że zwietrzałe partie skał wykazują znacznie obniżoną wytrzymałość na ściskanie w stosunku do wartości przyjmowanych dla skał warstw orzeskich.The article presents the characterization of a near-surface part of Orzesze beds in the region of the main saddle. The lithological profile of the region in concern has been confirmed to contain claystones with interburdens of sandstones and sands occurring at the surface. Among the claystones, a coal bed was drilled into. Field observations with a video camera, direct observations made in the boreholes and laboratory studies of the obtained rock samples have indicated high levels of weathering of the clastic formations. The weathering processes within the sandstones form fissures and rock voids by means of which rainwater flows freely into the deeper parts of the rock mass. The mineral composition of the sandstones includes mostly quartz, accompanied by plagioclases, micas, breccias and heavy minerals in smaller amounts. The binding material is cement-type and clayey-carbonate. The sands occurring at the surface constitute their eluvium, which is evidenced by similar texture qualities of both the sediments. The claystones contain mostly kaolinite and quartz; in their composition minerals from smectite group were also found. They are characterized by very high absorbability, which leads to their swelling and washing out. It has been found that the weathered parts of rocks indicate significantly lowered compressive strength in comparison to the values assumed in case of the rocks of the Orzesze beds