Металлургические шлаки представляют собой наиболее многотоннажные отходы промышленности. Только на металлургических комбинатах Урала и Сибири скопилось в отвалах 450 млн. т металлургических шлаков, занимающих обширные территории и загрязняющих окружающую среду. Задачу утилизации отходов металлургического производства может решить использование барботажных печей, аналогичных по своей конструкции печам, разработанным в Московском Институте стали и сплавов (МИСиС) для осуществления выплавки Ванюкова и процесса РОМЕЛТ.

На сегодня нельзя сказать, что металлургические шлаки не используются в качестве техногенных источников сырья. Некоторая часть доменных шлаков используется для производства строительных материалов, в качестве добавок при производстве цемента, заполнителей для бетонов, насыпки дорог, в производстве кирпича и т.д. Из сталеплавильных шлаков извлекается содержащийся в них металл, который возвращается в производство; часть окалины и пыли металлургических агрегатов вводится как добавка в агломерат. Все эти действия дают определенные результаты, однако, кардинально решить проблему отходов металлургических предприятий не могут. Объемы утилизации металлургических шлаков в нашей стране не превышают 10-15% от вновь образованных за год, в технически развитых странах этот показатель достигает 60-80%. 

Устройство печи

Барботажная печь состоит из плавильной камеры и сифонов для вывода шлака и металла. Сифоны примыкают к торцам плавильной емкости и сообщаются с ней через отверстия, выполненные у подины в нижней части стен, тем самым, представляя собой систему сообщающихся сосудов. Средняя и верхняя часть стен, свод печи выполнены из водоохлаждаемых кессонов.

В стенах плавильной камеры установлены по два ряда фурм с каждой стороны. Нижние фурмы предназначены для продувки шлакового расплава кислородовоздушной смесью, а верхние — для дожигания выделяющихся из ванны технологических газов.

Печи малой производительности (до 10—12 т/ч загружаемого сырья) могут иметь не прямоугольную, а круглую или овальную форму плавильной камеры, что обеспечивает меньшую удельную поверхность охлаждения и меньшие тепловые потери. 

Испытания

Были проведены крупномасштабные эксперименты по переработке различных отходов металлургического производства в таких печах. Переработке подвергались конверторные и доменные шламы (Новолипецкий металлургический комбинат), окалина установок непрерывной разливки стали, стальная стружка, стальная стружка, отсев металлизованных окатышей (Оскольский электрометаллургический комбинат), кеки производства феррованадия (НПО "Тулачермет"), отвальные шлаки свинцово-цинкового производства (Усть-Каменогорский свинцово-цинковый комбинат). Содержание железа в отходах составляло от 24 до 98 %. 

Технологический процесс

Процесс в печи осуществляется следующим образом. В плавильной камере формируют шлаковый расплав путем заливки жидкого шлака из других металлургических агрегатов или путем наплавления из твердых шлаков, например, из гранулированного доменного шлака. За счет подаваемого через нижние фурмы дутья шлак в печи интенсивно перемешивается, и в него сверху через отверстие в своде печи начинают непрерывно подавать отходы вместе с дополнительным топливом.

В качестве дополнительного топлива используется уголь или горючие отходы. Если в отходах содержатся оксиды железа, меди, никеля и др., то в восстановительных условиях, которые поддерживаются в шлаковой ванне, они восстанавливаются, образуя чугун (сплав), который собирается на подине печи. Выделяющиеся из ванны горючие газы дожигаются непосредственно в печи за счет кислородного дутья, подаваемого на верхние фурмы. Образующийся шлак и чугун непрерывно или периодически выводят из печи.

Дымовые газы удаляемые из печи, имея температуру 1500—1700°С. Расчеты показывают, что утилизация тепла дымовых газов в энергетическом котле полностью обеспечивает затраты электроэнергии на собственные нужды и нужды последующих переделов: сталеплавильного и прокатного производства.

Пыль барботажных печей по своей природе состоит из двух основных частей. Это механический вынос шихтовых материалов, относительно крупные частицы пыли, которые направляют обратно в печь, и возгоны восстановившихся в объеме шлаковой ванны металлов (цинка, свинца, калия и натрия), относительно мелкие частицы пыли, которые направляются для дальнейшей переработки на предприятия цветной металлургии. 

Перспективы применения

Проведенные исследования показали, что в подобных печах переработка отходов металлургических предприятий технологически возможна и экономически оправдана даже при работе на низкокачественном сырье (с низким содержанием железа) и угле, которые не могут быть использованы в традиционных металлургических агрегатах. Использование таких печей на металлургическом предприятии в качестве "замыкающего" технологическую цепочку агрегата позволит существенно уменьшить количество твердых отходов производства.

Еще одним важным направлением использования барботажных печей является переработка уже накопленных отходов металлургических предприятий. По существу, накопленные на металлургических предприятиях в течение многих лет отвалы, являются техногенными месторождениями. Количество таких отходов составляет десятки миллионов тонн.

В настоящее время, когда поставка железорудных материалов (особенно для предприятий удаленных от железорудных месторождений) связана со значительными затратами на перевозку, пришло время использовать накопленные собственные отходы для производства чугуна, частично заменив ими вновь добываемые природные ресурсы.Переработка этих отходов в доменных печах вряд ли возможна. Барботажные печи в свою очередь характеризуются «всеядностью» и малой чувствительны к качеству сырья и могут перерабатывать накопленные отходы металлургических предприятий, что позволит на десятки лет снизить остроту проблемы поставки железорудных материалов.

Важной особенностью барботажных печей является то, что в зависимости от складывающейся на рынке ситуации можно менять режим работы этих печей так, чтобы увеличивать производство чугуна, при этом снизится производство вторично энергии, или увеличить производство энергии, при этом снизится производство чугуна. Вторичная энергия в барботажных печах может производиться в основном в виде пара энергетических параметров, либо в виде топливного газа калорийностью около 10 000 кДж/м³.

Использование барботажных печей для эффективного экологически чистого сжигания угля или для его газификации может стать важным направлением в развитии отечественной энергетики. Работы в этом направлении уже ведутся, например, на "Экспериментальной ТЭС" РАО ЕЭС России в городе Красный Сулин строится первая опытно-промышленная установка по сжиганию угля в барботируемом шлаковом расплаве, ее тепловая мощность составит 200 МВт.

Баботажные печи могут эффективно использоваться и для переработки отходов на предприятиях цветной металлургии. Перспективным направлением использования барботажных печей для переработки отходов является переработка "красных шламов", образующихся при производстве глинозема.

В настоящее время в МИСиС активно ведутся работы по применению барботажных печей для фирмы NALCO (Индия). Созданы и готовы к промышленному использованию агрегаты, позволяющие на металлургическом предприятии организовать полную переработку собственных отходов с извлечением ценных компонентов и уменьшением вредного воздействия на окружающую среду.