С помощью новой технологии можно получить ценные материалы — чугун и портландцементный клинкер (материал для получения цемента), а главное — снизить нагрузку на окружающую среду.
Одна из важнейших проблем металлургических предприятий по всему миру — утилизация отходов производства, среди которых основная доля приходится на металлургический шлак (образуется при выплавке металла). Отвалы загрязняют окружающую среду и ухудшают экологическую обстановку.
К примеру, ковшевой шлак – это токсичный пылевидный мелкозернистый порошок, который легко разлетается на большие расстояния, и затем растворяется в осадочных и грунтовых водах. Миллиарды тонн шлаков черной и цветной металлургии занимают огромные площади. По оценкам ученых, объем шлаковых отвалов по всей планете ежегодно увеличивается на 200-300 млн тонн.
В то же время шлаки черной металлургии, преимущественно электропечные, содержат до 10% металлического и около 30% оксидного железа, а также магний, алюминий, кремний, фосфор, кальций, известь. Их переработка и повторное использование в производстве помогут не только снизить воздействие на экологию, но и решить проблему истощения минеральных ресурсов.
Ученые Уральского федерального университета (УрФУ) и Института металлургии Уральского отделения РАН (УрО РАН) разработали и успешно испытали технологию безотходной переработки шлака (электропечного и ковшевого).
«Наша технология полностью утилизирует два вида шлаков. Особенно важным было добиться полной переработки внепечных шлаков. Из-за небольшого количества железа их не используют повторно, а отправляют в отвалы, где они накапливаются и наносят ущерб экологии», — рассказал Олег Шешуков, директор Института новых материалов и технологий УрФУ, главный научный сотрудник Института металлургии УрО РАН, руководитель проекта.
Чаще всего ковшевой шлак — это пылевая фракция. В таком состоянии он не пригоден для переработки. Поэтому в первую очередь ученые стабилизировали ковшевой шлак в твердое состояние. Для этого в него добавили боратное стекло — дешевый отходный материал, который также требует переработки.
Получить клинкер из ковшевого шлака — более сложная задача, чем получение чугуна из электропечного. По этой причине сначала исследователи рассчитали необходимые для выработки клинкера условия: химический состав перерабатываемой смеси (шихты) и диапазон температур.
Затем с помощью дробления и смешивания они получили шихту с примесями кремний- и алюмосодержащих минералов — алита, белита, целита и браунмиллерита. В лабораторных условиях брикетированную шихту нагревали в печи до 1500–1600 градусов Цельсия, то есть до полного расплавления, выдерживали и после этого медленно охлаждали.
Проведение серии опытов позволило установить, что клинкер, по качеству соответствующий ГОСТу, образуется из пяти составов шлака при 10-минутной выдержке в температуре 1540–1560 градусов Цельсия.
На следующем этапе на Северском трубном заводе ученые отобрали близкие по структуре образцы отходов электропечного производства с высоким содержанием железа. В результате нескольких лабораторных плавок – с использованием кокса в качестве углеродистого восстановителя железа одновременно с портландцементным клинкером – был получен чугун, который также соответствует требованиям ГОСТа. При этом в товарные продукты переработали все исходные материалы.
Технологию совместного безотходного производства чугуна и портландцементного клинкера успешно испытали на опытном производстве Ключевского ферросплавного завода.
Разработчики пришли к заключению, что во избежание перегревов и в целях контроля температур и экономии следует применять не дуговую, а более дешевую роторно-наклонную печь. Из шихты, которую подавали в роторно-наклонную печь, в результате перемешивания, восстановления и плавления, образуется чугун и шлаковый остаток — клинкер. Последующее смешивание клинкера с гипсовым дигидратом и обжиг смеси в печи привело к образованию портландцемента — наиболее широко применяемого вида цемента.
Технологией уже заинтересовались промышленные предприятия Уральского региона и Казахстана.
Статья о разработке опубликована в журнале «Известия высших учебных заведений. Черная металлургия».