книги / Промышленная экология. Утилизация крупнотоннажных отходов производства

в20–30 и фарфора в 35 раз. Эти материалы тепло- и морозостойки, устойчивы к воздействию кислот и щелочей, имеют низкий коэффициент термического расширения.

Известны технологические схемы производства шлакоситаллов с использованием гранулированных и жидких шлаков, из которых преимущественное развитие получила в основном первая.

Шихта включает обычно до 65 % доменного шлака, 35–40 % кварцевого песка, а также центры направленной кристаллизации (нуклеаторы) – сульфат натрия, кремнефтористый натрий, оксиды и сульфиды хрома, титана, марганца, железа и т.п. Она плавится

вванной печи непрерывного действия, полученная стекломасса поступает на передел.

Изделия из ситаллов формуют методами вытягивания и прокатки, прессования и литья под давлением. Из них изготавливают трубы (диаметром от 30 до 100 см), плоские и волнистые кровельные материалы, защитную облицовку ограждающих конструкций,

находящихся в агрессивных средах, химически стойкие полы в промышленных зданиях, санитарно-технические изделия, химическую аппаратуру и т.д.

Литые изделия. На эти цели используют доменные, а также огненно-жидкие никелевые шлаки, получая брусчатку, шлаковые и металло-шлаковые трубы, плиты, детали к трубопроводам и т.д.

Брусчатку для дорожного строительства изготавливают полигонным способом. В литейную яму устанавливают разборные металлические формы из листового железа толщиной 3–5 мм. Дно форм засыпают измельченным шлаком, а верх закрывают пластинами с пригрузами во избежание их смещения. Между ними оставляют зазоры в 10–15 мм для заливки шлакового расплава. Формы заполняют так, чтобы над ними образовался теплоизоляционный слой в 10–15 см. Они могут быть установлены в несколько ярусов. Охлаждение отливки до 80–300 °С продолжается 3–5 сут. Отжиг изделий достигается за счет теплоты покровного слоя. Обычные размеры брусчатки 160×160×120 мм и 120×120×180 мм, масса соответственно 8 и 6 кг. Другие ее показатели: плотность 2000–2500 кг/м3,

31

предел прочности на сжатие в сухом состоянии 70–120 МПа, водопоглощение 2 %, истираемость 0,15–0,25 г/см2, морозостойкость

50–150 циклов.

Металлошлаковые трубы и элементы трубопроводов предназначаются для транспортировки абразивных материалов на горнообогатительных фабриках, тепловых электростанциях, угольных шахтах, рудниках и др.

Портландцемент и его разновидности. Традиционными сырьевыми материалами для производства портландцементного клинкера, основного (65–100 % по массе) компонента портландцемента, служат: 70–75 % известняка, 20–25 % глины, 3–5 % железосодержащих добавок.

Использование доменного шлака в качестве сырьевого компонента при производстве клинкера позволяет заменить глину, т.е. сократить мощности карьеров по ее добыче; снизить удельный расход известняка в 1,2–1,5 раза и, соответственно, мощности предприятий по его разработке; уменьшить влажность сырьевой смеси на 5–10 %. Снижение влажности и расхода известняка элиминирует тепловые затраты на обжиг клинкера. В частности, при введении

вшихту обжига 30 % шлака энергозатраты на получение клинкера снижаются более чем на 20 %.

Шлакопортландцемент является продуктом совместного или раздельного помола портландцементного клинкера, гранулированного доменного шлака и гипса. Шлак в готовом продукте составляет 30–70 %, гипс – до 5 %. Допускается также замена части шлака (не более 15 %) гидравлическими добавками, т.е. веществами, способными к взаимодействию с водой с некоторым набором прочности. При содержании шлака в смеси более 70 % получают шлаковый цемент.

Экономическая эффективность применения доменного шлака

впроизводстве шлакопортландцемента значительна: последний на 40–50 % дешевле портландцемента.

Цементная промышленность постоянно ощущает острый дефицит доменных гранулированных шлаков и железосодержащих

32

добавок. Это стимулирует работы по использованию мартеновских, конвертерных, ферросплавных и других металлургических шлаков.

Шлаковый цемент обычно получают, используя в качестве активатора твердения известь. Его производство может быть организовано непосредственно на металлургическом предприятии. Такая технология внедрена, например, на Магнитогорском металлургическом комбинате. Состав вяжущего: 15 % извести, 85 % гранулированного доменного шлака, 3–5 % гипса. Его прочность на сжатие 145 кг/см2, на изгиб 60 кг/см2.

Изготовление бетонных и других изделий. Бетоны – искус-

ственные каменные материалы, получаемые при затвердевании взятой в определенной пропорции тщательно перемешанной и уплотненной смеси из вяжущего, воды, мелкого (5–0,14 мм) и крупного (150–5 мм) заполнителей. Использование последних исключает большую усадку цементного камня, снижает расход вяжущего, стоимость бетона. В их качестве применяют преимущественно природные минеральные породы, а также отходы производства.

При получении бетона и изделий из него металлургические шлаки пригодны в качестве основного компонента бесцементных вяжущих, а также как крупный и мелкий заполнители.

Для изготовления бесцементных бетонов наиболее подходят доменные и близкие к ним по составу и свойствам ваграночные шлаки. Вследствие острого дефицита первых большее применение получили ваграночные шлаки.

Вяжущие свойства сталеплавильных шлаков менее выражены, чем ваграночных и доменных, поэтому технологий по их утилизации значительно меньше. Мартеновские шлаки и гранулированные доменные шлаки используют как один из компонентов вяжущего при изготовлении шлакоблоков.

Широко используют технологии утилизации шлаков в качестве крупного и мелкого заполнителей цементобетонов.

Так, в зарубежной практике дробленые негранулированные доменные шлаки используют в качестве мелкого заполнителя в жаростойких бетонах на основе глиноземистого цемента. Этот шла-

33

кобетон имеет плотность 2080–2320 кг/м3, т.е. относится к числу тяжелых, обладает высоким сопротивлением к истиранию. Его применяют для изготовления элементов футеровки с максимальной температурой нагреваемой поверхности 800–1000 °С.

При использовании в качестве заполнителей шлаковой пемзы получают легкие жаростойкие бетоны на глиноземистом цементе, имеющие среднюю плотность 1440–1600 кг/м3. Ее же применяют для изготовления легких бетонов с низкой теплопроводностью. Более 83 % их расходуется на наружные стеновые панели и 17 % – на внутренние.

Гранулированные шлаки широко используют для частичной (30–40 %) замены природного песка в составе мелкозернистых бетонов до марок В 30 включительно, при изготовлении тонкостенных железобетонных и армоцементных конструкций и шлакоблоков.

Щебень из доменных и сталеплавильных шлаков является эффективным крупным заполнителем для бетонов, так как их механическая прочность на 70–80 % выше, чем естественных, достигая 50–100 МПа. Кроме того, более интенсивное взаимодействие на границе шлакового щебня с цементными фазами снижает расход вяжущего на 10 % по сравнению с использованием природного, например гранитного, щебня.

Сталеплавильные шлаки, как показывает опыт США и Великобритании, весьма эффективны при введении в асфальтобетоны, придавая им повышенное сопротивление ударным нагрузкам

всравнении с природными минеральными наполнителями и хорошую текучесть при укладке и уплотнении при строительстве дорожного покрытия.

Помимо бетонов, металлургические шлаки нашли применение

вкачестве отощителей при производстве керамического кирпича и являются компонентом вяжущего при получении силикатного кирпича, служат высокоэффективным плавнем в составе керамических масс при выпуске облицовочных плиток, используются при варке различных видов стекол и т.п. В меньших объемах шлаки применяют для изготовления продуктов не строительного назначе-

34

ния: абразивных материалов для струйной обработки поверхностей, зернистых засыпок для фильтров, наполнителей и пигментов для шпатлевок, красок, мастик, линолеума и т.д.

2.4.2. Использование шлаков в металлургических переделах

В качестве сырья для получения металла чаще всего бывают востребованы мартеновские и конвертерные шлаки. Они содержат значительные (6–20 %) количества оксидов железа, до 12 % металлических включений, высокую (до 3,5) основность. Один из способов переработки заключается в их применении как железосодержащего сырья и флюса в основных металлургических переделах: при агломерации, в доменной плавке, сталеплавильных печах, вагранках и др. Доменные шлаки вследствие незначительного содержания в них железа в металлургических переделах не используются.

Сталеплавильные шлаки в агломерационной шихте используются в зарубежных странах. Так, на заводе «Явата» (Япония) в 1 т агломерационной шихты вводили до 30 кг мартеновского шлака. Однако во избежание прироста содержания фосфора или хрома в чугуне максимальная добавка шлака, по данным завода, составляла 13 кг/т чугуна. На заводе «Новая Гута» (Чехия) на 1 т агломерата добавляют 50 кг сталеплавильного шлака. В США мартеновские шлаки вводят в аглошихту вместе с другими отходами металлургического производства. Перемешивание и увлажнение шихты производят в барабанном смесителе, а спекание – на агломашине. Готовый спек дробят до фракции 40 мм и после грохочения используют в шихте доменных печей. Производительность установки 860 тыс. т/год. В агломерацию поступает шлак фракции 6 мм, что увеличивает газопроницаемость спекаемого слоя.

Сталеплавильные шлаки в шихте доменных печей применяет ряд зарубежных и отечественных предприятий. Уровень их утилизации зависит от вида шихты, марок выплавляемых сталей и химического состава шлаков. Во Франции он равен 100–250 тыс. т/год для одного завода, в США – 124 кг/т шлака (завод в Белфонте) и т.д. По опыту Аргентины, введение в печи до 100 кг/т чугуна шлаков, содержащих 25 % FeO и 40 % СаО, снижает стоимость

35

шихты на 9,3 %. Шлаки такого состава выполняют роль железофлюса при доменной плавке.

В Японии на заводе «Вакаяма» конвертерные шлаки после дробления и отмагничивания корольков металла вводят в сталеплавильные печи при расходе 25 кг/т целевого продукта. Мероприятие позволяет экономить известь (10 кг/т стали), улучшить условия шлакообразования, дефосфорации, уменьшить с 4 до 0,2 % количество свободного СаО в шлаке, исключить применение плавикового шпата CaF2.

На Чусовском металлургическом заводе (Пермский край) из конвертерных шлаков производят пентаоксид ванадия.

Высокоосновные конвертерные шлаки используют как десульфуратор при внепечной обработке стали.

На ряде металлургических и машиностроительных предприятий сталеплавильные шлаки применяют в качестве флюсов в вагранках. При этом повышается жидкоподвижность шлаков и восстанавливается находящееся в них железо, уменьшаются потери чугуна и содержание серы в нем. Переработка сталеплавильных шлаков в вагранках дает и другие преимущества: вследствие улучшения теплового баланса плавки температура чугуна и шлака повышается на 20–40 °С, при этом последний легко удаляется и отрабатывается; устраняется образование настылей над фурмами и тем самым обеспечивается ровный ход плавки, а также облегчается ремонт вагранки.

Наиболее пригоден для плавки в вагранке шлак крупностью 30–150 мм, содержащий не менее 45 % СаО+МgО, не более 25 % SiО2, 10–20 % FeO, 3–9 % МnО. Оптимальный расход добавки составляет около 4 % массы металлозавалки.

Отметим, что некоторые виды шлаков в металлургическом производстве могут использоваться не только для извлечения целевого металла и улучшения отдельных параметров плавки, но и как компоненты вяжущих композиций. Так, на Череповецком металлургическом заводе самораспадающиеся электропечные шлаки применяют в качестве отвердителя в производстве монолитных футеровок сталеразливочных ковшей фасоннолитейного цеха, крышек промежуточных ковшей машин непрерывного литья заго-

36

товок и нагревательных колодцев, тиглей индукционных печей. Стоимость этих футеровок ниже, чем изготовленных из обычных огнеупорных материалов.

2.4.3.Применение в сельском хозяйстве

Всостав металлургических шлаков входит ряд компонентов, делающих их полезными для использования в сельском хозяйстве.

Вчастности, из сталеплавильных шлаков уже в течение некоторого времени производят шлакоизвестковые и шлакофосфорные удобрения.

Пригодность сталеплавильного шлака к применению в качестве удобрения объясняется тем обстоятельством, что он содержит значительное количество оксида кальция при относительно меньшей доле оксида кремния. Это делает привлекательным утилизацию шлака как материала для известкования кислых почв взамен извести. Наличие в нем марганца, железа, кремния, алюминия и других элементов повышает его ценность в сравнении с известью, так как эти соединения в качестве микроэлементов необходимы для развития растений.

Установлено, что мартеновский шлак улучшает микрофлору почвы, увеличивая в ней содержание микроорганизмов, полезных для жизнедеятельности растений, является хорошим компонентом в органоминеральных компостах; повышает качество продуктов и содержание белковых веществ в сене и зерне, а также сахара и витаминов; уменьшает заболеваемость растений. Например, поражение свеклы пятнистостью снижается на 40 %, а повреждение корнидом – на 30 % при 100 % поражаемости на контрольном высеве.

Наибольший эффект для повышения урожая пшеницы дает совместное внесение извести, магния, фосфора и марганца.

Имеющиеся данные показывают, что молотый шлак целесообразно использовать для компостирования с торфом. При этом повышается урожай и содержание сахара в корнях сахарной свеклы.

Электросталеплавильные и ферросплавные шлаки высокой основности, содержащие оксид кальция до 52 % и оксид магния до 10–12 %, также применяются в качестве известковых удобрений.

37

При остывании на воздухе в результате силикатного распада они превращаются в тонкодисперсный порошок и вносятся в почву без помола.

Как показывают исследования, внесение в почву 2 т/га основных шлаков электроплавки дает возможность получить прибавку урожая клеверотимофеечного сена больше, чем от 20 т/га навоза, а использование шлака вместе с навозом дополнительно увеличивает прибавку урожая до 25 %.

Другой тип шлаков, применяемый в сельском хозяйстве, фос- фат-шлаки, получают при переделе фосфористых чугунов на сталь в мартеновских печах и конвертерах.

Заканчивая рассмотрение проблемы утилизации отвальных металлургических шлаков в народном хозяйстве, следует отметить, что практически все виды продукции из них успешно конкурируют с природными материалами. В частности, экономия приведенных затрат по сравнению с традиционным природным сырьем (в скобках) при изготовлении аналогичной продукции из шлаков составляла: гран-шлак – 15,5 % (клинкер); пемза – 2,3 % (керамзит); щебень литой – 2,6 % (щебень гранитный); щебень из коржей – 1,1 % (щебень из осадочных пород); шлаковата из расплава – 1,7 % (минвата на карбонатном сырье); фосфат-шлак – 0,5 % (суперфосфат).

Контрольные вопросы

1.Как классифицируются отходы металлургических производств?

2.Какие виды шлама образуются на металлургическом производстве?

3.Какие строительные материалы изготавливают из отходов металлургических производств?

4.Из каких отходов металлургической промышленности изготавливают строительные материалы?

5.Какие вредные вещества выделяются при производстве пемзы и гранулированного шлака?

6.Какие целевые элементы извлекают из шлаков?

7.Как в сельском хозяйстве используют металлургические от-

ходы?

38

ГЛАВА 3. ОТХОДЫ ГОРНОДОБЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Добыча полезных ископаемых – составная часть природопользования. Ее основная цель – обеспечение исходным сырьем базовых перерабатывающих отраслей народного хозяйства: черной и цветной металлургии, химической, нефтеперерабатывающей промышленности, производства цемента, строительных материалов и др.

В начале XXI в. мировая добыча полезных ископаемых превышала 30 млрд т. Доля отдельных их видов ориентировочно составляла: 30–35 % – каменные материалы, 20–25 % – песок и гравий, 12–15 % – уголь, торф и сланцы, 15–20 % – руды металлов, 10–12 % – карбонатное и цементное сырье, глины и известняки, 3– 4 % – сырье для производств основной химии.

Общий объем горных пород, перемещаемых в процессе геологоразведочных работ, строительства дорог, плотин, каналов и других крупных объектов, в несколько раз превосходит объем перерабатываемого сырья и топлива, достигая, по оценкам, 150 млрд т/год. Большую часть перемещаемых горных пород составляют отходы добычи полезных ископаемых. Они сопровождают в основном добычу топлива, руд (металлургических, химических, агрономических) и нерудных материалов (щебня, гальки, гравия, песка и т.п.).

3.1. Классификация отходов горнодобывающей промышленности

Отходы горного производства классифицируются по фазовому составу и производственным циклам (табл. 3.1). Относительный выход отходов зависит от производственного цикла, характера сырья, содержания извлекаемых компонентов в исходном продукте.

Классификация отходов горнодобывающего производства:

по месту образования в отраслях горнодобывающей промышленности;

39