Ученые Уральского федерального университета и Института металлургии Уральского отделения РАН разработали и успешно испытали технологию совместной безотходной переработки электропечного и ковшевого шлака. Результат применения технологии — получение ценных материалов, чугуна и портландцементного клинкера, а также устранение проблемы загрязнения окружающей среды. Статья о разработке опубликована в журнале «Известия высших учебных заведений. Черная металлургия».

«Наша технология позволяет проводить полную утилизацию отобранных видов шлаков и, таким образом, решать проблему антропогенной нагрузки на окружающую среду. Особенно важно, что удалось добиться полной переработки внепечных шлаков: поскольку железа в них совсем немного, такие шлаки, как правило, отправляют в отвалы, постоянно увеличивая урон окружающей среде. Работа по достоинству отмечена представителями науки и производства. Интерес к разработке проявили промышленные предприятия Уральского региона и Казахстана», — подчеркивает Олег Шешуков, директор Института новых материалов и технологий УрФУ, главный научный сотрудник Института металлургии УрО РАН, руководитель группы разработчиков технологии.

Разработка и испытание технологии состоят из нескольких этапов. Ковшевой шлак чаще всего — это пылевая фракция, непригодная для использования в процессах переработки. Поэтому в первую очередь ученые стабилизировали ковшевой шлак в твердом состоянии. Для этого в него добавили боратное стекло — дешевый отходный материал, также требующий переработки.

Получить клинкер из ковшевого шлака — более сложная технологическая 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 1500–16000°С, 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°С.

На следующем этапе в соответствии с данными составами шихты они отобрали близкие по структуре образцы отходов электропечного производства на Северском трубном заводе. Такие образцы характеризуются повышенным содержанием железа. В результате нескольких лабораторных плавок с использованием кокса в качестве углеродистого восстановителя железа одновременно с портландцементным клинкером был получен чугун, также соответствующий 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. В ходе испытательных плавок 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 — цилиндрическую емкость, слегка наклоненную по горизонтали и медленно вращающуюся по своей оси. Из шихты, которая подается в роторно-наклонную печь в результате перемешивания, восстановления и плавления, образуются чугун и шлаковый остаток — клинкер. Последующее смешивание клинкера с гипсовым дигидратом и обжиг смеси в печи приводят к образованию портландцемента — наиболее широко применяемого вида цемента.

Справка

В черной металлургии до 85% общего объема твердых отходов составляют шлаки электросталеплавильного производства и ковшевой обработки стали (финальная доводка металла в ковше в целях гомогенизации по химическому составу и температуре). Шлаковые отвалы занимают площади, превышающие 2,2 тыс. га. Располагаясь в черте городов, они загрязняют окружающую среду и ухудшают экологическую обстановку. Так, ковшевой шлак, чаще всего представленный в виде токсичного пылевидного, мелкозернистого порошка, легко разлетается на большие территории, затем растворяясь в осадочных и грунтовых водах.

В то же время шлаки черной металлургии, преимущественно электропечные, содержат до 10% металлического и около 30% оксидного железа. Кроме того, магний, алюминий, кремний, фосфор, кальций, известь. Переработка шлаков и их повторное использование в производстве в виде качественного сырья будут способствовать решению проблемы истощения минеральных ресурсов.