Добываемые природные минеральные ресурсы не всегда используются рационально. Значительная их часть (до 90% и более) отправляется в отвалы, водоемы, атмосферу. При этом создаются огромные запасы отходов, так называемые "техногенные месторождения", которые нарушают экологическое равновесие в природе.

Экономическое развитие Украины осуществляется на основе высокоинтенсивного промышленного производства. На относительно небольшой территории Донецко-Криворожского бассейна с высокой плотностью населения сложились и развиваются крупнейшие территориально-промышленные центры, интенсивно использующие минерально-сырьевые и энергетические, а также водные, лесные и земельные ресурсы. Уже сегодня проявляются последствия ограничения и исчерпаемости этих запасов.

В черной металлургии Украины при полном освоении мощностей суммарное количество ежегодно теряемого железа составляло 35млн.т, половина его потерь приходится на горнорудную промышленность, где оно в основном содержится в отходах, представляющих слабомагнитные окисленные руды, хвосты обогащения и вскрышные породы. На металлургических предприятиях ежегодно образуется около 10млн.т железосодержащих отходов (отсевы агломерата, окатышей, извести, шламы, пыли, окалина, сварочный шлак и др.), которые утилизируются не полностью. Наиболее трудноутилизируемыми являются шламы, которые используются всего наполовину.

Помимо железосодержащих отходов, в народном хозяйстве Украины на всех стадиях использования минерального сырья и топлива ежегодно образуется около 2млрд.т отходов, что требует отвода 7тыс.га земли. В отвалах накоплено около 20млрд.т отходов, которые могут быть источниками сырья для культивации поверхности литосферы и стройиндустрии. Например, отходы обогащения руд могут успешно использоваться в качестве строительного сырья и для получения различных изделий для стройиндустрии.

На металлургических предприятиях Украины заскладировано более 70млн.т. железосодержащих шламов, из которых только 20млн.т не разубожены отходами других производств и могут быть после соответствующей подготовки утилизированы в агломерационном производстве взамен первичного природного железорудного сырья.

Кроме этих шламов, на Николаевском и Днепровском алюминиевых заводах накоплено более 20млн.т. красных шламов, которые несмотря на многочисленные предлагаемые способы их утилизации, тоже не находят применения. Образование красных шламов составляет 1,3т/т глинозёма. Эти шламы удерживают влажность порядка 50% даже при длительном хранении, что усложняет технологию их подготовки для комплексной переработки.

Из-за нерешаемости вопроса утилизации трудноподготавливаемых шламов и хвостов обогащения сложилась катастрофическая проблема дальнейшего их складирования в дорогостоящих сложных гидротехнических сооружениях. Вблизи предприятий свободных отрицательных форм рельефа местности для организации хвостохранилищ и шламонакопителей практически нет. Продолжающееся складирование шламов и хвостов обогащения удорожает себестоимость основной продукции и требует отвода новых земельных угодий. Это в конечном итоге усугубляет и до того сложное состояние окружающей природной среды в промышленно-развитых регионах и в Украине в целом.

Проведенный нами анализ качества заскладированных отходов показал, что в техногенных месторождениях содержатся не только минеральные составляющие, применяемые в стройиндустрии, но и ценные металлы, пригодные для чёрной и цветной металлургии. В этих месторождениях в некоторых случаях содержатся промышленные концентрации чёрных, легирующих, цветных, редких, редкоземельных и даже драгоценных металлов. Себестоимость извлечения и переработки этих металлов из указанных месторождений будет ниже, чем извлечение их из природного сырья, запасы которых в Украине ограничены или вообще отсутствуют. Например, красные шламы являются отходами глинозёмного производства, сырьё для которого украинские предприятия импортируют из Африки.

В сталеплавильных шламах содержатся промышленные концентрации цинка и свинца. Эти шламы заскладированы в шламонакопителях, в которых содержится до 50тыс.т цинка и свинца в виде оксидов. Масса этих компонентов ежегодно возрастала на 10тыс.т/год при полной производительности сталеплавильных цехов. В тоже время потребность чёрной металлургии в этих металлах с каждым годом увеличивается.

Комплексный подход глубокой переработки вторичного сырья позволит создать экологически чистые технологии, произвести структурную перестройку ряда отраслей промышленности из сырьевых добывающих в наукоемкие перерабатывающие с получением черных, цветных, редких, и других металлов, а также создание композиционных строительных материалов различного назначения при использовании силикатных остатков.

С целью определения рациональных путей комплексного использования отходов производства и оценок эффективности применения различных технологий с последующей разработкой научно-обоснованной тактики и стратегии их решения, нами выполнен анализ различных технологических способов переработки и утилизации техногенных месторождений из отходов металлургического производства.

Сталеплавильные (мартеновские, конвертерные и электросталеплавильные) шлаки представляют собой основной попутный продукт при производстве черных металлов. Их удельный выход составляет в среднем 160-170кг/т стали. Эти шлаки представляют собой ценный материал для использования в качестве оборотного продукта для самой черной металлургии, так как в них содержится более 80% ценных компонентов. Эти шлаки в основном используются в стройиндустрии, но значительная часть их вывозится в отвалы. Это особенно наблюдается в последние годы. Переработка шлаков позволяет повысить эффективность технологических процессов металлургического производства и получить значительную экономию природных ресурсов.

При полном освоении мощностей металлургических агрегатов использование сталеплавильных шлаков на заводах Украины достигало 10,7% от их выхода (около 440тыс.т/год), а на Енакиевском металлургическом заводе эта доля достигала 50%.

Выбор направления использования шлаков определяется тремя основными показателями:

– металлургической ценностью шлака, которая определяется его химическим составом;

– степенью подготовленности шлака для конкретных переделов;

– требованиями, предъявляемыми к металлургическому переделу, в котором используется оборотный продукт.

С этой точки зрения наибольший интерес представляют конвертерные шлаки текущего выхода и ранее заскладированные в отвалах.

Мартеновские и электросталеплавильные шлаки используются в меньшей степени.

На металлургических заводах накоплены миллионы тонн металлургических шлаков. Обычно доменные шлаки заскладированы в отвалах отдельно от сталеплавильных. Эти шлаки используются в стройиндустрии. При разработке отвалов доменных шлаков дополнительно извлекается магнитной сепарацией до 5% металла в виде корольков, которые используются в сталеплавильных процессах.

Отвальные сталеплавильные шлаки содержат больше металла (10-15%). Кроме этого, минеральная часть шлаков зачастую пригодна для металлургических процессов (агломерация, доменное и литейное производство). Если сталеплавильные шлаки используются в качестве оборотного продукта, то нет необходимости дополнительного извлечения металла, а если минеральная часть используется для стройиндустрии, то организуются специальные участки для извлечения металла.

На отвалах мартеновских шлаков Макеевского металлургического комбината с помощью иностранных инвесторов организован участок для извлечения металла. Технологической схемой предусматривается несколько стадий дробления, грохочения и магнитной сепарации этих шлаков. Корольки металла нескольких фракций от 10 до 60мм реализуются сталеплавильным цехам, а фракция 0-10мм, содержащая до 50% минеральной части, отправляется на аглофабрики. Минеральная часть этих шлаков должна отправляться на предприятия стройиндустрии, но из-за падения их производства они опять складируются.

Для полной утилизации отходов из техногенных месторождений металлургического производства необходимо проводить исследования комплексного извлечения различных металлов из этих отходов. В мировой практике можно выделить три основных подхода к решению вопроса извлечения металлов из минерального и техногенного сырья:

– механический (измельчение материала с извлечением компонентов в соответствии с их плотностью, магнитными и прочими свойствами);

– пирометаллургический (обжиг материала с разделением компонентов по температурам кипения с последующей их химической или металлургической переработкой);

– гидрометаллургический (обработка материала растворами кислот или щелочей и перевод извлекаемых компонентов в раствор с последующим извлечением целевых компонентов экстракцией или ионным обменом).

Как правило, эти подходы на практике комбинируются для достижения более высокой эффективности и комплексности использования сырья.

Основными направлениями в промышленности чёрных, цветных и редких металлов были и остаются разработка методов селективного извлечения целевых компонентов, что в области гидрометаллургической переработки приводит к созданию более избирательных экстрагентов, оказывающихся значительно сложными по химическому составу и, соответственно, более дорогостоящими. В металлосодержащих отходах общее количество металлической составляющей в виде оксидов, сульфидов, карбонатов обычно составляет не менее 20%, и поэтому по сумме металлов такое сырье является богатым. В этой связи по разрабатываемой технологии выделения металлов, переведенных в раствор, при вскрытии минерального сырья и его разделении производство оказывается сверхрентабельным.

Особой проблемой утилизации металлургических шламов является повышенное содержание в них цинка и свинца. При агломерации железорудных материалов цинк и свинец практически не удаляются и переходят в агломерат. Трудности возникают в доменном процессе, из-за чего в большинстве случаев сталеплавильные шламы не утилизируются, а складируются в долголетних шламонакопителях.

Для переработки этих шламов с извлечением цинка и свинца необходимо их подготовить до транспортабельного состояния, смешать с восстановителем и организовать пирометаллургический восстановительный процесс при температуре 1000-1100° C. Указанных процессов в черной и цветной металлургии существует большое количество, выбор которых зависит от конкретных условий организации соответствующего участка. При степени металлизации 30% цинк и свинец возгоняются и улавливаются в специальных фильтрах, из которых затем выгружаются, затариваются и отправляются на заводы цветной металлургии. Возгоны обычно содержат порядка 50% цинка и свинца в виде их оксидов. Железорудный металлизованный продукт используется в доменном или сталеплавильном процессах. Такой процесс переработки цинксодержащих шламов целесообразно организовывать для текущих шламов, что упростит работу завода по их складированию.

С анализом российского рынка металлургических и топливных шлаков Вы можете познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок шлаков в России».

В.И. Ростовский, А.С. Бондарь, О.И. Раджи, А.В. Кравченко
Донецкий государственный технический университет, Украина