Экологически чистые и экономически выгодные способы утилизации отходов металлургического производства Урала

Ю. А. Гудим, А. А. Голубев

Донецкий национальный технический университет

Источник: http://ecol.ural-ecol.uu.ru/almanah/2008_2/3_3.htm

Уральский регион — традиционное место размещения предприятий черной и цветной металлургии. Производство черных и цветных металлов сопровождается получением большого количества отходов, значительная часть которых до сих пор не используется, складируется в отвалах, хранилищах, отстойниках. К числу таких отходов относятся металлургические шлаки, шламы, пыли, замасленная окалина. Только в Челябинской области ежегодно образуется более 5 млн тонн металлургических отходов.
Наличие этих отходов на поверхности земли, конечно, небезразлично для природы и населения региона. В то же время металлургические отходы содержат большое количество ценных компонентов, извлечение и вторичное использование которых позволит увеличить сырьевую базу металлургии и уменьшить добычу первичных полезных ископаемых.
В настоящее время возможности вторичного использования ценных компонентов металлургических отходов реализуются незначительно, причем извлечение ценных компонентов таких отходов производится неполно.
Радикальное решение вопроса безотходной утилизации побочных продуктов металлургического производства возможно лишь при использовании пирометаллургических процессов (высокотемпературной обработки расплавленных шлаков, шламов и пылей). В таком случае реализуется возможность дополнительного достаточно высокого извлечения из них железа и других металлов путем восстановления оксидов, осаждения из шлакового расплава восстановленного металла и получения шлаковых расплавов, пригодных для производства высококачественных строительных материалов.
Практическое использование такой технологической схемы возможно лишь при наличии высокопроизводительного экономично работающего шлакоплавильного агрегата. Такими являются так называемые гарнисажные агрегаты. Промышленная компания «Техномет» разработала проект высокопроизводительного непрерывно работающего многофункционального гарнисажного плавильного агрегата АПМ «МАГМА» с охлаждением корпуса жидкометаллическим теплоносителем, позволяющего перерабатывать в год до 400 тыс. тонн твердых отходов металлургического производства. Использование такого агрегата позволяет реализовать ряд инновационных эффективных технологических схем полной утилизации металлургических отходов и соответственно улучшения экологической обстановки в зонах образования и размещения этих отходов. Наиболее интересные из них: — переработка окисленных сталеплавильных шлаков на портландцементный клинкер с извлечением железа из шлака; — переработка шлаков производства меди и сплавов никеля на шлакокаменное литье с извлечением остатков цветных металлов; — совместная переработка сталеплавильных шлаков и кислых шлаков производства меди и никеля с полным извлечением железа и производством шлаковых добавок для цементной промышленности; — переработка «красных» шламов глиноземного производства с извлечением металлического железа и получением цементного клинкера. Опытные данные и расчеты показывают, что при переработке одной тонны сталеплавильного шлака может быть получено до 250 кг железоуглеродистого сплава и 700—800 кг плавленого портландцементного клинкера. Получаемый клинкер предполагается подвергать сухой грануляции, а металл использовать как шихту для выплавки стали. Вместе со шлаком возможна переработка сталеплавильной пыли из газоочистки и замасленной окалины.
Предлагаемая технология выгодна как экономически, так и экологически: производство безотходное, полностью утилизируются побочные продукты производства стали, извлекается и возвращается в оборот значительное количество безвозвратно теряемого железа. Шлакокаменное литье известно и используется, начиная со второй половины XIX века. Некоторые свойства шлакокаменных отливок даже выше, чем у металлических, в частности, износостойкость, химическая стойкость в кислотных и щелочных средах. Камнелитые материалы практически не подвергаются радиолизу, они стойки к ионизирующему облучению, имеют низкую проницаемость для радионуклидов в связи с очень низкими значениями коэффициентов диффузии в них. Поэтому, несмотря на худшие литейные свойства, чем у металлов, и необходимость применения в большинстве случаев термической обработки для получения качественных шлакокаменных отливок, шлакокаменное литье имеет широкую область применения. Объемы его производства и сбыта в нашей стране могут быть достаточно велики. Шлакокаменное литье может использоваться в горнодобывающей, металлургической, химической промышленности, энергетике, а также в огнеупорном производстве для футеровки поверхностей оборудования, подвергающегося интенсивному абразивному, гидроабразивному и агрессивному воздействию: бункеров, течек, желобов, пульпо-проводов, шламопроводов, водоводов, конусных и щековых дробилок, шаровых и молотковых мельниц, гидроциклонов, скрубберов, покрытия полов промышленных зданий, элементов газо- и водоочистных сооружений, элементов тепловых агрегатов, работающих при температуре до 850 °С, бункеров, дымососов, реакторов, емкостей для хранения агрессивных материалов и т.д.
В строительстве шлакокаменное литье может использоваться не менее широко. Это большие дорожные плиты, плиты для оборудования взлетно-посадочных полос, бордюры, тротуарные плиты, плиты для обустройства рельсовых путей и переездов, фронтоны, облицовочная плитка и т.д. Кроме того, из шлаков могут быть изготовлены:
— конструкции обделки подземных сооружений метрополитена, канализационных тоннелей, шахтных отводов, колодцев, коллекторов (тюбинги, блоки, кольца цельнолитые и комбинированные, облицовочные плиты, шпалы-коротыши для перегонов в тоннелях метро и др.);
— защитная облицовка гидротехнических сооружений (облицовочные плиты, блоки для мостовых опор, плиты для подпорных стен набережных и др.);
— изделия для обустройства магистральных трубопроводов (утяжелители-пригрузы седловидные и кольцевидные);
— контейнеры цельнолитые для хранения радиоактивных отходов или высокотоксичных химических отходов.
По своему химическому и минералогическому составу для изготовления шлакокаменного литья пригодны шлаки пониженной и низкой основности (кислые шлаки). Доменные шлаки имеют пониженную основность, в принципе, они вполне пригодны для производства шлакового литья, но большая часть доменных шлаков (до 100 % в советское время) традиционно использовалась в производстве строительных материалов (шлакопортландцемента, шлакоблоков, шлакобетона и т.д.).
В то же время кислые шлаки заводов, производящих черновую медь и сплавы никеля практически не используются и складируются в отвалах. Так, отвалы Уфалейского никелевого комбината содержат до 20 млн тонн шлака, отвалы Карабашского медеплавильного комбината — до 30 млн тонн шлака. Ежегодно эти отвалы принимают до миллиона тонн шлаков указанных комбинатов. Основная масса отвальных шлаков предприятий цветной металлургии находится в отвалах в виде гранулированного шлака. Такая форма нахождения шлака в отвалах облегчает его транспортировку, загрузку в шлакоплавильный агрегат и способствует быстрому расплавлению шлака и, соответственно снижению энергетических затрат. Кроме того, отвальные шлаки содержат некоторое количество металлической составляющей: никеля и железа, или меди, железа и цинка. Металлическая составляющая таких шлаков при их переплаве может быть собрана на подине печи, слита отдельно от шлака и реализована предприятиям, производящими сплавы никеля или меди. Цинк может быть собран после его возгонки и также реализован на сторону. Все это позволит снизить себестоимость производимого шлакового литья.
В плавильной камере агрегата «МАГМА» шлак теплом работающих топливокислородных горелок расплавляется и нагревается до требуемой температуры, определяемой сортаментом производимого шлакового литья. Через систему сифонного выпуска готовый шлак непрерывно сливается в установленный под желобом шлаковый ковш. После наполнения шлаковый ковш переносится мостовым краном на разливочный стенд литейного конвейера. Вместо него под сливной шлаковый желоб агрегата устанавливается пустой ковш.
Металл, оседающий из расплавленного шлака, накапливается на огнеупорной подине камеры и периодически сливается через специальную летку в ковш для приемки металла. На участке разливки металла жидкий металл разливается в шихтовые слитки или гранулируется. Уловленная газоочисткой пыль вдувается в шлаковый расплав, находящийся в плавильной камере, и полностью утилизируется. Шлаковое литье получают, заливая шлак в чугунные многоразовые формы-кокили, установленные на литейном конвейере. В случае производства высококачественного ответственного литья шлаковые отливки армируются стальной проволокой. После кристаллизации отливок кокили разбирают, извлеченные из них отливки передаются в термические печи, где подвергают термообработке с целью снятия термических напряжений и исключения возможности образования трещин. Отходы литого шлака (литниковые системы, прибыли, недоливки и др.) собираются, дробятся, затем либо отправляются потребителям в качестве высококачественного шлакового щебня, либо возвращается в плавильную камеру в качестве шихтового материала.
В случае отсутствия значительных по объему заказов на фасонное шлакокаменное литье экономически и экологически эффективной может быть безотходная переработка смеси окисленного сталеплавильного шлака и шлака производства никеля или меди в соотношении 1:1. Для реализации такой схемы используется агрегат «МАГМА», оборудованный подогревателем шихты. Восстановленный шлак по составу близок к составу доменного шлака и содержит, %: (CaO+MgO) — 41—51; (SiO2+Al2O3) — 45—55; FeO —1,0—2,0. Такой шлак периодически сливается из агрегата и гранулируется. После грануляции он используется при производстве цемента. Уловленная в газоочистке пыль инжекторами вдувается в шлаковый расплав, находящийся в агрегате, и полностью им ассимилируется. В результате осуществляется безотходная переработка отвальных шлаков. В качестве товарной продукции производится: чугун — 300—320 кг/т шлаковой смеси и граншлак для цементной промышленности — 400—500 кг/т шлаковой смеси. Трудности эффективной переработки красных шламов заключается в следующем: красные шламы содержат много влаги (35—50 %), некоторое количество щелочи (до 1,5 % NaOH), в высушенном виде они представляют собой мелкодисперсный порошок. Использование агрегата «МАГМА» позволяет преодолеть эти трудности. Производительность такого агрегата по проплавляемому осушенному шламу 300—320 тыс. тонн в год.
Процесс переработки красного шлама полностью безотходный. На 1 тонну переплавленного шлама производится 320—350 кг чугуна и 500—550 кг клинкера глиноземистого цемента. При переработке 1 тонны осушенного до 10 % H2O шлама расходуется: 170—200 кг энергетического угля, 50—100 кг известняка, 50 нм3 природного газа и 100 нм3 кислорода. Приведенные примеры реализации схем переработки металлургических отходов свидетельствуют о возможности уменьшения или полного прекращения поступления металлургических отходов в отвалы, хранилища, отстойники путем эффективной безотходной переработки в агрегатах «МАГМА», позволяющей увеличить сырьевую базу металлургии, уменьшить добычу первичного металлургического сырья и улучшить экологическую обстановку в регионе. Перспективна и переработка существующих отвалов.
Капиталовложения в создание предприятий по безотходной переработке металлургических отходов окупаются в течение 3—5 лет в зависимости от используемой схемы их утилизации.