Переработка и утилизация шлаков металлургического производства

В современных печах металлургических комбинатов образуется намного меньше шлаков, чем в их предшественницах полувековой давности. Но полигоны отходов выплавки металлов разрастаются вширь. Утилизация золы и шлака улучшает экологическую обстановку, дает финансовую выгоду и экономит сырье дополнительных производств.

Утилизация шлаков

Значительная часть шлаков содержит металлические включения. Такие отходы сложно обрабатывать. Основной способ переработки – грохочение с последующей магнитной сепарацией металлических элементов. У этого метода есть недостатки: низкое качество разделения металла и шлака, повышенный износ оборудования, низкая рентабельность. Появляются новые технологии, которые осуществляют более точное разделение, а также извлечение немагнитных металлов. Удается извлечь 15% металлического железа.

https://youtu.be/pefVAyhbTvI

Освобожденный от металлических примесей шлак пригоден для дальнейшего промышленного применения. Шлаки пористой структуры используют как добавку к бетону. Существуют технологии удаления воздуха (дегазации) из металлургических отходов, что позволяет получить плотный строительный щебень.

Определенную сложность представляет переработка рафинированных шлаков от плавки сурьмянистых концентратов. Из отходов необходимо выделить сурьму и мышьяк, чтобы они не попадали в окружающую среду. В последнее время эти примеси отделяют методом водного выщелачивания.

Большую часть отходов металлургического производства перерабатывают в твердом виде, но переработка расплавов более эффективна.

Шлаковые отходы при выплавке чугуна и стали

К шлакам черной металлургии относятся доменные и сталеплавильные. Доменные шлаковые отходы появляются при выплавке чугуна. Для каждого из видов чугуна – литейного, предельного или специального – характерен свой тип шлака.

Сталеплавильные образуются при выплавке стали. Они делятся на мартеновские, вагральные и электроплавильные — по типу печей. К этой же группе относят шлаки, которые образуются в процессе обработки металла: тигельные и сварочные.

Доменные шлаки образуются одновременно с выплавкой чугуна. Шлаковые массы имеют меньшую плотность, поэтому всплывают на поверхность. Легкую фракцию сливают через верхнее отверстие доменной печи. В ней нет металлических включений. Затем через нижнее технологическое отверстие сливают чугун. В печи остается средняя фракция – шлак, содержащий металл. Его направляют на дальнейшую переработку с целью выделения остатков металла.

Состав доменных шлаков зависит от типа руды, флюса и топлива. Около 95% их массы – это окислы кальция, кремния и алюминия. Металлургические отходы относят к одной из категорий в зависимости от преобладающего минерала:

кислотные – шлаки с преобладанием кремния и алюминия;
основные – с высоким содержанием магния, кальция марганца;
промежуточные – с равнозначным содержанием кислотных и основных соединений.

При переработке шлаков металлургического производства учитывают вид распада шлакового монолита. Так, при силикатном распаде кальциевый силикат трансформируется из бета в гамма форму с увеличением объема. Кусок шлака покрывается трещинами, затем рассыпается в порошок. Известковый распад – результат гидратации извести. Характерен для мартеновских шлаков. Шлаковый камень растрескивается и разваливается на части.

Утилизация доменных шлаков

Основной потребитель доменных отходов – цементные заводы. Добавление измельченного шлака в цемент улучшает характеристики строительной смеси. Шлаковую пемзу, переработанную в щебень, используют как наполнитель легких марок бетона. Расплавленный шлак применяют для производства минеральной ваты.

Сталеплавильные шлаки

Отходы сталеплавильной отрасли в 2 раза меньше доменных по объему, но значительная часть сталеплавильных шлаков все еще попадает в отвалы. Этот вид применяют:

в производстве щебня;
в домнах и вагранках в качестве флюса;
в сельском хозяйстве для известкования почв.

Образование и использование золошлаковых отходов

Золошлаковые отходы образуются преимущественно на ТЭЦ. При горении измельченного угля, смешанного с мазутом, микрочастицы золы улетают с дымовыми газами. Органическая составляющая топлива превращается в дым и пар, минеральные компоненты превращаются в золу и шлак. Зольный остаток спекается в крупные куски. При перемешивании со шлаком формируются золошлаковые отходы.

Отходы ТЭЦ при хранении в отвалах занимают огромные площади. ТЭС мощностью 1 ГВт в сутки образует 1000 тонн шлака и золы. Такая масса отходов при захоронении слоем 8 м требует отчуждения более гектара земель в год. При таких объемах переработка золошлаковых отходом имеет важное экономическое и экологическое значение.

Область применения топливных шлаков

Топливные шлаки, как и металлургические, применяют в производстве бетона, керамзита и шлакоблоков. Гранулированную золу используют для оснований парковок, велосипедных дорожек, набережных. Ее применяют и для покрытия полигонов твердых коммунальных отходов.

Зола и непрогоревшие частицы угля обладают адсорбирующими свойствами. Благодаря этой характеристике зольные остатки применяют для очистки сточных вод.

Жидкую фракцию топливных отходов используют в производстве керамической плитки.

Летучая зола, которую вылавливают из потока дымовых газов, тоже находит применение:

для укрепления грунтов при строительстве дорог;
при производстве железобетона для гидротехнических сооружений.

Разработана технология изготовления удобрений из гранулированных топливных шлаков. Их преимущество в том, что они отдают почве питательные вещества на протяжении 10-15 лет.

При широких возможностях вторичной переработки топливных отходов, пока доля утилизации золы в России невелика. Во Франции, Германии и США перерабатывается 60-70% золошлаковых отходов, в России этот показатель не превышает 5%. Остальные 95% выбрасывают на полигоны.

Применение вторичного сырья

Продукты переработки шлаков и золошлаковых отходов используют в строительстве. Основным потребителем вторсырья остается дорожное строительство. Из золы и шлака делают песок, щебень, связующие добавки к асфальту. Железобетон из побочного сырья металлургического производства применяют в строительстве плотин и мостовых опор. Тяжелый, ячеистый и силикатный бетон, керамический кирпич, цемент – строительные материалы широкой области применения.

Отвалы шлаков хранятся вблизи металлургических комбинатов. Они занимают территории у промышленных центров, важные для развития дорожной сети. Разработка отвалов улучшает экологическую и социальную обстановку металлургических городов.