Введение

Шлаки образуются в очень большом количестве пирометаллургических процессов, и являются крупным источником отходов, если не подвергаются переработке и утилизации. С быстрым ростом индустриализации, количество доступных земель для хранения больших объемов металлургических шлаков снижается во всем мире и, соответственно, стоимость тех, что находятся в распоряжении, растет. Глобальное потепление и сбережение природных ресурсов являются общими экологическими темами сегодняшнего дня. Кроме того, земли под отходами становятся значительным источником загрязнения воздуха, воды и почвы, что в дальнейшем отрицательно влияет на организм и здоровье человека, рост урожая и растительности [1]. С точки зрения сохранения и защиты глобальной экосистемы, шлакопереработка привлекла внимание многих ученых в последние годы. Бум и другие в работе [2] рассмотрели последние тенденции в исследовании шлаков и обнаружили, что существенно выросло количество работ по теме переработки шлаков и их экологическим проблемам. Идеалом является создание такого замкнутого цикла, который позволит преобразовать все отправляемые на свалку отходы в полезные продукты, тем самым дос-тигнув полной переработки.

Металлургическая промышленность направляет свои усилия на сведение к минимуму шлакообразования и их переработку для реализации экологических обязательств. Раз-личные металлургические шлаки образуются в процессах извлечения, рафинирования и легирования металла. Из-за большого количества шлака и строгих требований по охране окружающей среды, переработка и утилизация этих шлаков являются привлекательной альтернативой в целях сокращения и в конечном итоге предотвращения дополнительных трат, сведения к минимуму загрязнений окружающей среды, а также для сохранения ресурсов. Структура шлака, его минеральный состав и скорость охлаждения, играют важную роль при их утилизации. Металлургические шлаки разных металлургических процессов обрабатывают и используют различными способами, основываясь на различии их характеристик.

Наиболее экономичным и эффективным вариантом сокращения металлургических отходов является их переработка. Шлак с успехом возвращаются в производство в различных отраслях промышленности, к примеру, в производство чугуна и стали. Однако, в некоторых областях по-прежнему оспаривается эффективность утилизации большого количества образующихся шлаков. В настоящей работе кратко представлены характеристики различных шлаков и методы их утилизации на основе литературных данных, а также представляются результаты работы, проводимой авторами по исследованию обработки засоленных шлаков и воздействия их на окружающую среду.

В общем, в производстве стали имеется два пути: доменное производство с использования железных руд в качестве сырья при выплавке чугуна, в основном кислородно-конвертерном производстве, и вторичных металлургических процессах для рафинирования стали; электросталеплавильное производство с применением лома в качестве исходного сырья и последующих вторичных металлургических процессов рафинирования. Соответственно, выделяют три основных типа шлаков: доменный, конвертерный и электросталеплавильный. Доменный шлак используется в большей степени, чем конвертерный, еще менее значительно использование электросталеплавильных шлаков ввиду разницы в объемах образования. Условно конвертерный, доменный и электросталеплавильный шлаки могут быть названы шлаками производства стали.

Взгляд в прошлое позволяет говорить, что утилизация доменных шлаков имеет долгую историю. Измельченный шлак от изготовления чугуна применялся в дорожном строительстве еще в римское время. Сталелитейная промышленность была пионером в рециркуляции, в связи с высокой степенью повторного использования отходов, а также первой стала потребителем шлаковой продукции. В настоящее время, благодаря интенсивной исследовательской работы в течение несколько последних десятилетий, 100 % образующихся доменных шлаков могут быть использованы в большинстве стран мира, и степень утилизации шлаков производства стали в Европе составляет 65 % с выпуском почти 12 млн т продукции. Но остальные 35 % все еще сбрасываются в отвалы [3]. Очень важными при выборе метода утилизации являются свойства шлака. В общем, шлаки может быть получен с различными свойствами при модификации различными добавками и контроле скорости охлаждения, или во время их отделения от чугуна или стали, а также в дальнейшем при переплавке в отдельной печи.

Доменный шлак образуется в ходе восстановительных процессов из железной руды, кокс, известняка и прочих материалов в диапазоне температур от 1450 до 1550 °С, что приводит к снижению содержания низших оксидов железа, и время от времени отводится. Химический состав шлака зависит от подаваемого сырья и проведения процесса плавки. Объем шлака во многом зависит от шихты, например, от сорта железной руды, что составляет от 200 до 600 кг на одну тонну горячего металла. В среднем, шлак содержит около (0,5 – 0,8) % FeO, (35 – 42) % СаО, (35 – 40)% SiO2, (8 – 9) % MgO, (8 – 15) % Al2O3, (0,3 – 1,0) % MnO и (0,7 – 1,5) % S по весу. Основность шлакаCaO/SiO2 находится в диапазоне (0,95 – 1,25).

Технологии обработки шлаков достигли значительного прогресса с 1970-х годов в целях удовлетворения различных технических требований и условий. На первом этапе об-работки шлак либо закаливают, либо медленно охлаждают. Доменные шлаки, как прави-ло, отверждают четырьмя различными способами: в шлаковых чашах или разливкой на открытую площадку формируя воздушноохлажденый шлак; закалкой в воде с образованием гранулированного шлака; пенной флотацией с созданием структуры пемзы с высокой пористостью; продуванием воздухом с получением шлаковой ваты для теплоизоляции.

В связи с подобностью химического состава шлака с составом цемента, быстроохлажденный доменный шлак может использоваться в качестве выгодной альтернативы сырья для изготовления портландцемента в широком спектре применения. Стекловидное отверждение в силикатные стеклянные конструкции напрямую связано с их гидравлическими свойствами, которые зависят от содержащихся элементов в шлаке и скорости охлаждения.

При медленном охлаждении, в шлаковом осадке кристаллизуется силикатная фаза, например, мелилит и мервинит. Мелилит является твердым раствором геленита – 2CaO•Al2O3•SiO2 и акерманита – 3CaO•MgO•2SiO2. Единственным кристаллизующимся компонентом в медленно охлажденном шлаке, который обеспечивает связующие свойства, является b-2CaO•SiO2. Таким образом доменный шлак мало или вообще не применим в качестве цементирующего компонента. Применение измельченного доменного шлака в качестве наполнителя, засыпки и легкого строительного материала в течении многих лет является важнейшими направлениями его использования. Как наполнитель при производстве бетона шлак обладает теми же характеристиками, что и традиционные добавки. Доменный шлак также используют в качестве сырья для изготовления стекла, минеральной ваты, известкования, стабилизации и кондиционирования почв [4].

    С точки зрения возможности утилизации, прочностная емкость и/или шлаковая по-ристость являются важными свойствами, которые оказывают влияние на сопротивление ударным нагрузкам. Для наполнителя в дорожном строительстве, плотный шлак с высокой ударной вязкостью является очень важным. Как наполнитель при производстве бетона, пористый шлак требует добавления большего количества связующих веществ. Пористость способствует высвобождению газа из расплавленного доменного шлака при охлаждении. Растворимость газов, например, N2, Н2 и О2 уменьшается при снижении температуры. Однако из-за высокой вязкости при более низкой температуре не все пузырьки газа могут освободится. В ходе отверждения шлака, захваченные пузырьки газа снижают ударную вязкость охлажденного шлака [5]…

Экологические последствия шлаков и их побочных продуктов исследуются на протяжении многих лет, о них обычно судят по выщелачиваемости компонентов из шлаков. В связи с очень низкой растворимостью в воде большинства минеральных фаз доменных шлаков и шлаков производства стали, они не оказывают воздействия на окружающую среду, если нет взаимодействия с известью и их объем постоянен. Высокое содержание сво-бодного СаО в шлаке производства стали может стать причиной увеличения объема, что является негативным фактором при использовании, например, в дорожном строительстве.

Большинство шлаков содержат примеси токсичных элементов, таких как As, Pb, Cd, Co, Cr или Ni. Поскольку эти вещества могут в некоторой степени вымываться из шлаков, некоторые экологические риски не всегда возможно исключить. Некоторые исследования воды, почвы и растений показали наличие загрязнений от шлаков [30]. Экологические испытания на заводе шлаков содержащих растворенный мышьяк до 23,5 % показывают, что вымывание мышьяка является минимальным, и, что твердый шлак является безопасным средством для его хранения [31]. Сжигание остатков содержит риск образования опасных веществ, таких как тяжелые металлы и диоксины. Для переработки подобных опасных материалов, долгосрочные аспекты безопасности должны также учитываться ради будущих поколений.

Газообразные выбросы от засоленных шлаков (шламов), образующиеся в результате контакта с водой, представляют большую экологическую опасность. В результате процесса выщелачивания, компоненты из шлаков реагируют с водой и создают взрывчатые, ядовитые газы и/или газы с неприятным запахом: Аl-содержащие металлы высвобождают водород (H2); из карбида образуется метан (CH4), нитрид способствует формированию аммиака (NH3); и фосфориты образуют высокотоксичный газ фосфин (PH3). Из-за растворимости компонентов отходов и опасности газовыделений, засоленные шлаки не могут просто сбрасываться. В ближайшее время оптимальным является переработка соли с использованием остатков и регенерацией образующихся газов. Неметаллические компоненты (НМК), в том числе оксиды углерода и криолита или флюорит не растворимы в воде, и они подвергаются фильтрации и сушке. После обжига, НМК могут быть дополнительно обработаны для использования, например, в цементной промышленности [32] или для производства огнеупорных кирпичей [33].

Обязанностью металлургов является не только производство металла высокого качества, но и охрана окружающей среды и, кроме того, защита здоровья человека. Улучшение качества промышленных побочных продуктов и повышение коэффициента использования металлургических шлаков позволит защитить среды обитания и рациональное использования природных ресурсов может быть гарантировано…

Список литературы

1. RAMACHANDRAN, V. The treatment and minimization of waste. J. Met 1995, February, pp. 50 – 51.

2. BOOM, R., MILLS, K.C., and RIAZ, S. Recent trends in research on slags. Proceedings of the Sixth International Conference on Molten Slags, Fluxes and Salts, Stockholm, Sweden–Helsinki, Finland, 12 – 17 June, 2000, CD Rom-paper 110.

3. MOTZ, H. and GEISELER, J. Products of steel slags an opportunity to save natural resources, Waste Management 21, 2001. pp.285 – 293.

4. MAYFIELD, B. and LOUATI, M. Properties of pelletized blastfurnace slag concrete. Mag. Of Concrete Res., 42 (150), 1990, pp.29 – 36.

5. RIGBY, G.D., WIBBERLEY, L.J., and CAO, H.T. Bast furnace slag utilization in mine backfill: implications for sustainable development and greenhouse gas reduction, Greenhouse gases in the metallurgical industries: Policies, Abatement and Treatment, 40th Annual Conference of Metallurgists of CIM, Toronto, Canada, 26 – 29 August 2001, pp. 227 – 238.

30. BUNZL, K., TRAUTMANNSHEIMER, M., SCHRAMEL, P., and REIFENHAUSER, W. Availability of Arsenic, Copper, Lead, Thallium, and Zinc to Various Vegetables Grown in Slag-Contaminated Soils, Journal of Environmental Quality, vol. 30, 2001, pp. 934 – 939.

31. TWIDWELL, L.G. Safe disposal of arsenic bearing flue dust by dissolution in smelter slags. J. of Hazardous Materials, vol. 8, no. 1, 1983, pp. 85 – 90.

32. PEREIRA, D.A., DE AGUIAR, B., CASTRO, F., ALMEIDA, M.F., and LABRINCHA, J.A. Mechanical behaviour of Portland cement mortars with incorporation of Al-containing salt slags. Cem. Concr. Res., vol. 30, no. 7, 2000, pp. 1131 – 1138.

33. PEREIRA, D.A., COUTO, D.M., and LABRINCHA, J.A. Incorporation of alumina rich residues in refractory bricks, Ceramic Forum International, vol. 77, no. 7, 2000, pp. E21 – E25.