Утилизация отходов металлургического комплекса

Основную массу отходов этого комплекса представляют вскрышные и вмещающие породы добычи руд, отходы их обогащения, металлургичес­кие шлаки.

Отходы добычи железной руды. В нашей стране наиболее распространен­ным способом добычи железной руды является открытый — путем создания карьеров глубиной до 300 м и более. Наряду с разработкой железной руды извлекают и складируют в отвалы огромные массы вскрышных и вмещаю­щих пород, объемы которых составляют 30—70% от разрабатываемой рудной массы. Наибольшее количество попутно добываемых пород — это кристал-

12,

' 0-33

354 Экология города

лические сланцы, кварциты, роговики и другие близкие к ним скальные по­роды. Среди вскрышных пород имеются и нескальные, в основном осадоч­ные — глины, пески, суглинки, известняки и др.

Скальные породы, предварительно разрыхленные взрывным способом, разрабатывают экскаваторами и удаляют в отвалы автомобильным или же­лезнодорожным способом. По гранулометрическому составу отвальные скальные породы представляют собой неоднородный материал от пылева-тых и песчаных фракций до глыб размером 1 м. Преимущественный гра­нулометрический состав 10—200 мм. Истинная плотность этих пород за­висит от включений железа и находится в пределах 2600—4100 кг/м³, сред­няя — 3000 кг/м³.

Основным направлением утилизации вскрыши скальных и нескальных пород является использование их для устройства дамб обвалования, пло­тин, насыпей, оснований дорог, для планировочных работ, а также для производства строительных материалов. Скальные породы широко исполь­зуются для производства щебня, который применяют в качестве крупного заполнителя в тяжелых и особо тяжелых бетонах. На многих горно-обога­тительных комбинатах Украины построены щебеночные комплексы. Объе­мы образования этих отходов превышают масштабы возможной переработ­ки, и основным направлением их использования является обратная засыпка и рекультивация карьеров.

Отходы обогащения железной руды — хвосты образуются при получении железного концентрата методами электромагнитной или магнитной сепара­ции. Для раскрытия и дальнейшего извлечения рудных минералов руду под­вергают измельчению. Тонкость измельчения зависит от технологии обога­щения, характера и степени оруденения сырья. Объемы отходов составляют 40—60% от объема обогащаемого материала.

Хвостовое хозяйство — один из самых дорогостоящих объектов обогати­тельного комплекса.

Частицы хвостов имеют угловатую неокатанную и неправильную фор­му. Кроме пустой породы, в хвостах присутствуют частицы железосодержа­щих минералов в количестве 15—20%. Хвосты представляют собой несвяз­ный материал, средневзвешенный диаметр частиц колеблется в пределах 0,05—0,2 мм, преобладают частицы размером 0,07—0,005 мм. Истинная плот­ность колеблется в пределах 2600—4000 кг/м³, средняя — 3000 кг/м³. Удаля­ют хвосты в хвостохранилища гидравлическим способом в виде пульпы с Т: Ж, равным от 1: 10 до 1: 30.

При сбросе пульпы в хвостохранилище на надводных пляжах происходит фракционирование хвостов по плотности и крупности. В зонах, близких к выпуску, откладываются наиболее крупные и тяжелые частицы, содержание железа в этих зонах может превышать 30%. По сути хвостохранилища пред­ставляют собой техногенные месторождения полезных ископаемых, освое­ние которых будет производиться с помощью более прогрессивных техноло­гий обогащения. Технология сброса пульпы должна формировать зоны с по­вышенным содержанием железа.

Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов 355

Хвостохранилища занимают огромные площади, подтапливают прилега­ющие территории, загрязняют подземные воды. Подсыхающие надводные пляжи создают интенсивное пыление.

Основным направлением утилизации хвостов обогащения является исполь­зование их в качестве вторичного сырья для производства строительных мате­риалов. Пески из отходов обогащения могут использоваться в кладочных и штукатурных растворах, для приготовления бетонов, получения силикатного кирпича, устройства искусственных оснований под дороги, здания, сооруже­ния, для обратных засыпок, а также в качестве сырья для получения бесклин­керного шлакоцемента (совместный помол песка с доменными шлаками).

Металлургические шлаки образуются при выплавке металлов и представ­ляют собой продукты высокотемпературного взаимодействия руды, пустой породы, флюсов, топлива. Их состав зависит от этих компонентов, вида вы­плавляемого металла и особенностей металлургического процесса.

Металлургические шлаки подразделяют на шлаки черной и цветной ме­таллургии. В зависимости от характера процесса и типа печей шлаки черной металлургии делят на доменные, сталеплавильные (мартеновские, конвер­торные, электроплавильные), ферросплавов, ваграночные.

Выход доменных шлаков на 1 т чугуна составляет 0,6—0,7 т; при выплав­ке 1 т стали выход шлаков составляет 0,1—0,3 т.

В цветной металлургии выход шлаков зависит от содержания извлекае­мого металла в исходной шихте и может достигать 100—200 т на 1 т металла.

Химический состав доменных шлаков: СаО 29—30%, MgO 0—18%, А1₂О₃ 5—23% и SiO₂ 30—40%. В небольшом количестве в них содержатся оксиды железа 0,2—0,6% и марганца 0,3—1%, а также сера 0,5—3,1%.

Сталеплавильные шлаки характеризуются более высоким содержанием оксидов железа (до 20%) и марганца (до 10%). Так же, как и топливные шла­ки, металлургические делят на кислые и основные в зависимости от модуля основности. Оксиды, входящие в шлаки, образуют разнообразные минералы, такие как силикаты, алюмосиликаты, ферриты и др.

Шлаки имеют высокую истинную плотность — среднее значение 2900— 3000 кг/м³; плотность куска — 2200—2800 кг/м³, большую пористость, высо­кую морозостойкость, низкую истираемость.

Наиболее распространенным способом переработки шлаков является гра­нуляция — резкое охлаждение водой, паром или воздухом. Грануляции под­вергают в основном доменные шлаки. Утилизация доменных шлаков состав­ляет около 60%, сталеплавильных — около 30%.

Основным потребителем доменных гранулированных шлаков является цементная промышленность. В цементной промышленности также возмож­но использование медленно охлажденных сталеплавильных шлаков, шлаков ферросплавов и шлаков цветной металлургии. Шлаковые вяжущие подразде­ляются на бесклинкерные (сульфатно-шлаковые и известково-шлаковые), шлакощелочные и шлакопортландцемент. Сульфатно-шлаковые вяжущие

12*

356 Экология города

получают совместным помолом доменных гранулированных шлаков (75—85%), гипса (10—15%) и небольшой добавки извести (2%) или портландцементного клинкера. Такие цементы отличаются химической стойкостью, их использу­ют в агрессивных средах. Известково-шлаковые цементы получают совмест­ным помолом доменного гранулированного шлака и извести (10—30%). Для регулирования сроков схватывания вводят до 5% гипса. Эти цементы по проч­ности уступают сульфатно-шлаковым цементам, имеют низкую морозостой­кость, но отличаются высокой стойкостью в агрессивных водах.

Гранулированные доменные шлаки используют как добавки к сырью (до 20%) при производстве портландцемента взамен глины или как активные добавки к портландцементному клинкеру.

Широкое распространение получил шлакопортландцемент — гидравли­ческое вяжущее, получаемое совместным тонким помолом доменного грану­лированного шлака (21—80%), портландцементного клинкера и небольшого количества гипса. Себестоимость такого цемента снижается на 25—30%, по сравнению с портландцементом. Шлакопортландцемент в зависимости от содержания шлака используют как обычный цемент или как стойкий к дей­ствию агрессивных вод.

Шлакощелочные цементы — это гидравлические вяжущие, получае­мые совместным помолом доменных гранулированных шлаков и щелоч­ных компонентов — кальцинированной или каустической соды, жидкого стекла. Оптимальное содержание щелочных соединений в вяжущем в пе­ресчете на Na₂O составляет 2—5% от массы шлака. Взамен щелочных ком­понентов используют отходы их производства. Шлакощелочные вяжущие обладают высокой прочностью, водостойкостью, водонепроницаемостью, коррозионной стойкостью, биостойкостью и термостойкостью. Бетоны из таких цементов обладают перечисленными преимуществами, кроме того, они устойчивы к действию бензина и других нефтепродуктов и слабых ра­створов органических кислот. Они способны твердеть при отрицательных температурах.

Шлакощелочные цементы используют в строительстве, а также для обез­вреживания радиоактивных и токсичных отходов, содержащих тяжелые ме­таллы (шламы гальванического производства, шламы водоочистки, золошла-ковые отходы термического обезвреживания).

Из металлургических шлаков получают шлаковый щебень путем дробле­ния отвальных металлургических шлаков или по специальной технологии изготавливают литой щебень. При производстве этого материала огненно-жидкий шлаковый расплав из шлаковозных ковшей сливается слоями тол­щиной 250—500 мм на специальные литейные площадки или траншеи. Через 2—3 часа он кристаллизуется на открытом воздухе, затем его охлаждают во­дой, что приводит к развитию трещин. Шлаковые массивы разрабатывают экскаваторами с последующим дроблением и грохочением.

Необходимым условием получения щебня из металлургических шлаков является устойчивость их к распаду. Шлаки, пролежавшие 3—5 месяцев в отвалах, как правило, имеют стабильный состав.

Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов 357

Литой шлаковый щебень характеризуется высокими морозостойкостью и жаростойкостью, сопротивлением к истиранию.

В строительстве применяются разные типы бетонов с вяжущими и запол­нителями на основе металлургических шлаков.

Для особо тяжелых и тяжелых бетонов (плотностью 2600—1800 кг/м³) в качестве крупных заполнителей используют литой или отвальный щебень, в качестве мелкого заполнителя — гранулированный доменный шлак. При про­изводстве легких шлаковых бетонов (плотностью менее 1800 кг/м³) в каче­стве заполнителей используют щебень на основе шлаковой пемзы. Шлако­вую пемзу получают вспучиванием шлакового расплава при быстром охлаж­дении водой, воздухом, а также при воздействии минеральных газообразова-телей. Затем путем дробления и грохочения получают фракционный щебень. Шлаковый щебень применяют также в дорожном строительстве для устрой­ства оснований и асфальтобетонных покрытий.

Металлургические шлаки используют для производства шлаковой ваты. Шлаковую вату применяют как изоляционный материал, а с помощью раз­личных органических и неорганических вяжущих из нее изготавливают раз­нообразные теплоизоляционные изделия.

Из расплавленных металлургических шлаков отливают камни для моще­ния дорог и полов промышленных зданий, бордюрный камень, противокор­розионные плитки, трубы и другие изделия. По износостойкости, жаростой­кости и ряду других свойств шлаковое литье превосходит железобетон и сталь.

Металлургические шлаки используют для производства шлакоситалло-вых изделий. Производство их заключается в варке шлаковых стекол, формо­вании и последующей их кристаллизации. Шихта для получения стекол со­стоит из шлака, песка, щелочесодержащих и других добавок. Шлакоситаллы характеризуются высокими физико-механическими свойствами. Прочность их близка к прочности чугуна и стали, но шлакоситаллы в три раза легче. Они легко обрабатываются, шлифуются, режутся, сверлятся. Шлакоситаллы широко применяются в строительстве. Плитами из листового шлакоситалла облицовывают цоколи и фасады зданий, отделывают внутренние стены и перегородки, выполняют из них ограждения балконов, кровли, лестничные марши, подоконники, полы промышленных зданий, изготавливают трубы, высоковольтные изоляторы и другие изделия.

При производстве ферросплавов образуются шлаки, содержащие до 15— 20% металлических включений. Ферросплавные шлаки перерабатывают на щебень, песок, муку, используют при выплавке стали, ферросплавов, в це­ментной промышленности, в производстве шлакового литья, шлакоситаллов и других строительных материалов.

Шлаки цветной металлургии отличаются большим разнообразием. Выход шлаков цветной металлургии на единицу выплавленного металла значитель­но больше, чем шлаков черной металлургии. Так, на 1 т никеля образуется до 150 т шлака, на 1 т меди — 10—30 т. В шлаках содержится до 60% оксидов железа, оксиды кремния, алюминия, кальция, магния, а также значительное

358 Экология города

количество таких ценных компонентов, как медь, кобальт, цинк, свинец, кадмий, редкие металлы. Перспективным направлением их использования является комплексная переработка, включающая предварительное извлече­ние цветных и редких металлов, железа с последующим использованием силикатного остатка для производства строительных материалов аналогично шлакам черной металлургии.

В черной и цветной металлургии образуется огромное количество пылей и шламов, значительное количество их накопилось также в шламонакопите-лях и отвалах. Эти отходы содержат в своем составе соединения железа, маг­ния, марганца, кальция, цинка, свинца, серы и других элементов.

Пыли и шламы металлургических производств можно разделить на две груп­пы: к первой группе относятся продукты очистки дымовых газов. Железосо­держащие пыли и шламы образуются при очистке газов доменного, агломера­ционного и сталеплавильного производств. Концентрация железа в них — в пределах 35—55%, в некоторых случаях она превышает 68%, т.е. превышает содержание железа в железорудном концентрате. На старых заводах железо­содержащие пыли и шламы сбрасывают в отвалы и шламонакопители из-за отсутствия или недостатка оборудования по их подготовке к использованию. На новых заводах эти пыли и шламы используют в технологических процес­сах путем добавки к агломерационной шихте. При использовании шламы предварительно обезвоживают до влажности 8—9%, из них удаляют вредные примеси, такие как сера, цинк, свинец, щелочные металлы, а затем механи­ческим или термическим способом при добавлении вяжущих формуют куски определенных размеров.

Другим способом утилизации железосодержащих пылей является вклю­чение их в состав шихты при производстве цементов, красок, красителей.

Графитовая пыль образуется при выпуске чугуна из доменной печи, за­ливке его в миксер, транспортировке, разливке в формы или изложницы. Содержание графита в пыли металлургических цехов различных предприя­тий колеблется в пределах 30—80%. Графитовая пыль представляет собой чешуйки графита и их сростки, выделяющиеся из расплава чугуна в основ­ном при его переливах. Графит является важным промышленным сырьем. Он используется в черной металлургии при изготовлении электродов элект­росталеплавильных и ферросплавных печей, тиглей для плавки стали и цвет­ных металлов, в литейном производстве при изготовлении присыпок внут­ренних поверхностей форм для предохранения отливок от пригара, при по­лучении графито-коллоидных красок для подмазки литейных форм, для получения графито-керамических масс, из которых готовят литейные фор­мы, в электротехнике для гальванических элементов и щелочных аккумуля­торах, в атомной энергетике для изготовления стержней-замедлителей нейт­ронов, в реактивной технике в качестве особо термостойкого материала, в машиностроении в качестве порошкообразного смазочного материала. Кро­ме того, графит применяют при изготовлении искусственных алмазов, метал­локерамики, различных пластмасс, карандашей и присадок для снятия стати­ческого электричества.

Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов 359

Потребность в графите постоянно растет. Ископаемые графитосодержа-щие руды характеризуются сравнительно низким содержанием графита. Для получения 1 т графита из таких руд перерабатывают до 20 т руды. В промыш­ленности используют также дорогостоящий искусственный графит, который изготавливают на основе кокса и антрацита. Поэтому графитовая пыль пред­приятий черной металлургии является ценным вторичным сырьем. Ресурсы графитовых отходов оцениваются миллионами тонн. Значительная часть их поступает в отвалы и разносится ветром на большие расстояния.

В настоящее время разработаны два направления утилизации графитовой пыли. Для предприятий, где содержание в пыли графита особо высокое (60— 90%), предполагается получать товарный графит на самих производствах. Процесс этот включает такие операции, как измельчение, флотационное обо­гащение по стандартным схемам. В дальнейшем концентрат подвергается химической доводке. Полученный продукт предполагается использовать на самом предприятии. Другое направление утилизации состоит в обогащении графитовой пыли на металлургических предприятиях и последующей перера­ботки полученного концентрата на специализированных графитовых заводах совместно с ископаемой графитовой рудой. Графит, изготовленный при со­вместной переработке, не уступает по качеству графиту, изготовленному из одной руды, а иногда превосходит последний.

Графитовая пыль, содержащая в своем составе менее 60% графита, может быть использована для приготовления теплоизоляционных смесей в литей­ном производстве.

Серосодержащие шламы образуются при очистке газов агломерационных производств от оксидов серы с помощью известняковых суспензий. Такие же шламы образуются при очистке газов от оксидов серы на ТЭЦ и других про­изводствах. В результате очистки образуются плохо растворимый в воде суль­фит кальция, хорошо растворимый сульфат кальция, а также в небольшом количестве хорошо растворимые бисульфит кальция и гипс. Основная часть этих шламов поступает в шламохранилища и не используется.

В настоящее время разработаны рекомендации по утилизации шламов сероочистки. Для использования в цементной промышленности рекоменду­ется их сначала подвергнуть обжигу при температуре 1100—1150° С, что позво­лит перевести часть серы из шлама в диоксид серы, а затем использовать для производства серной кислоты. Далее сухой шлам можно использовать как добавку к шихте при производстве цемента. Другим направлением утилиза­ции серосодержащих шламов является применение их в сельском хозяйстве в качестве мелиоранта для кислых, оподзоленных и солонцеватых почв. Шлам является дополнительным источником серы, кальция, позволяет нейтрализо­вать повышенную кислотность почв.

Образующийся при очистке сточных вод трубопрокатного производства шлам содержит окалину и масла. В процессе очистки в первичных отстойни­ках отделяется крупная окалина, которая периодически извлекается из от­стойника и утилизируется в качестве добавки к агломерационной шихте. Во вторичных отстойниках улавливается мелкая окалина и маслопродукты. Мае-

360 Экология города

лопродукты ухудшают прочность гранул шихты, снижают ее газопроницае­мость. Поэтому шихту предварительно обрабатывают известняком или шла-мами других металлургических производств, а затем используют в агломера­ционном или сталеплавильном производствах. Другим способом подготовки замасленной окалины к утилизации является обработка ее жидким сталепла­вильным шлаком. Обогащенный окалиной застывший шлак является цен­ным металлургическим сырьем.