Уральские ученые-металлурги разработали технологическую схему комплексной безотходной утилизации красных шламов — этих отходов алюминиевого производства на российских предприятиях ежегодно накапливается более 10 млн тонн, в Уральском регионе — 1,5 миллиона, а утилизируется не более 5%. На Уральском алюминиевом заводе в Каменске-Уральском уже действует промышленная установка для обесщелачивания и обезвоживания красных шламов.
Другую задачу государственной важности решают специалисты в области высокотемпературной электрохимии, создающие технологию переработки свинецсодержащего вторичного сырья. В России дефицит свинца, а на Урале его месторождений нет совсем, зато здесь сосредоточены предприятия, на которых в больших количествах образуются свинецсодержащие пыли, кеки, шламы. Недавно в ЗАО ПО «Цветметсервис» прошел испытания новый электролизер для рафинирования чернового свинца.
Красная опасность
Шламохранилища, где складируют отходы переработки бокситов, выглядят жутковато — это огромные полигоны, заполненные красно-бурой жижей. Как минимум возникает ассоциация с чуждым землянам марсианским пейзажем. Но вот что говорит о перспективах переработки красных шламов директор Института металлургии УрО РАН доктор технических наук Евгений Селиванов.
— Евгений Николаевич, чем грозят красные шламы окружающей среде?
— Отходы алюминиевого производства весьма опасны из-за высокой дисперсности и остаточной щелочности. Это едкая пульпа, которую трудно высушить и невозможно перевезти. Поэтому ее направляют в шламохранилища, которые занимают огромные территории и быстро заполняются: особенности технологического процесса извлечения алюминия таковы, что на выходе получается гораздо больше красного шлама, чем «крылатого» металла. Из хозяйственного оборота выводятся большие площади плодородных земель. Мало того, шламы, проникая в почву и водные стоки, загрязняют их соединениями щелочных металлов, а постепенно высыхая, начинают пылить. Аварии на шламохранилищах приводят к настоящим техногенным катастрофам.
Это общемировая проблема исключительно актуальна для Урала, где работают два крупных алюминиевых завода — Богословский в Краснотурьинске и Уральский в Каменске-Уральском. Сейчас на Уральском алюминиевом заводе строится новый шламоотвал, что требует больших капиталовложений и многочисленных согласований. Перспективный вариант решения проблемы — разработка технологий утилизации шлама и внедрение их в производство.
— Но все-таки можно перевести отходы алюминиевого производства из категории техногенных отвалов в категорию техногенных месторождений? Есть в них что-то ценное?
— Безусловно. В шламах довольно много оксида железа — до 35% (этим и объясняется их красный цвет), это больше, чем в некоторых видах железных руд. Есть оксиды редких металлов — титана, ванадия, скандия. Это плюсы. А минусы — остаточная щелочность, большое количество оксида алюминия и кремния, а также примеси серы, фосфора, присутствие которых затрудняет использование красных шламов в черной металлургии. На сегодняшний день известны варианты частичного использования шламов для изготовления красок и коагулянтов, но объемы производств здесь не идут ни в какое сравнение с масштабами отходов — на эти цели можно использовать лишь 1%. Выход один — организовать крупномасштабную промышленную переработку красного шлама.
— А в чем трудности? Нет технологий?
— Технологии как раз создаются, в том числе и в нашем институте. Главная проблема — низкий уровень рентабельности утилизации красных шламов. Правда, сегодня в этой сфере сходятся интересы цветной металлургии, которая «производит» отходы, и черной металлургии, для которой они могут служить сырьем. Из-за роста стоимости руды востребовано более дешевое сырье, а дефицит стального лома заставляет искать альтернативные источники металлошихты для сталеплавильных предприятий. Есть спрос и на концентрат для производства редкоземельных металлов, а также на сырье, пригодное для получения цементов и других стройматериалов.
Существует два варианта переработки красных шламов: их либо готовят к металлургической переработке путем обесщелачивания и сушки, а затем используют в качестве добавки при производстве чугуна в доменных печах, либо из подготовленного шлама выплавляют чугун или ферросилиций в самостоятельном агрегате, а шлак используют для производства цемента. Оба варианта имеют преимущества и недостатки, которые сдерживают их внедрение на предприятиях и требуют масштабных исследований, обосновывающих каждый из технологических переделов.
Вообще-то разработка технологии — дело отраслевой науки, но ее, как известно, в России почти не осталось. В рамках государственно-частного финансирования наш институт и компания «Русал» провели исследования по комплексной переработке красных шламов, а нашими партнерами в этом проекте были Институт химии твердого тела УрО РАН, Московский институт стали и сплавов, Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, Уралмеханобр и Уралпромэнергопроект.
Оптимальный вариант
О разработанной уральскими учеными-металлургами комплексной безотходной технологии утилизации красных шламов рассказывает заведующий лабораторией пирометаллургии черных металлов Института металлургии УрО РАН доктор технических наук Олег Шешуков.
— Наша технология позволяет производить из отходов алюминиевого производства железосодержащий промпродукт, чугун передельный и литейный, ферросилиций с содержанием кремния 15 — 20%, глиноземсодержащие сырьевые материалы для черной, цветной металлургии и стройиндустрии, а также извлекать оксид скандия.
— Что предлагаете делать с красным шламом?
— Первое — провести его обесщелачивание и обезвоживание. На Уральском алюминиевом заводе в Каменске-Уральском для этого уже создана промышленная установка. В результате содержание щелочи снижается с 2 до 0,4%, а влаги — с 50 до 15%. Подготовленный таким образом шлам можно перевозить любым транспортом и использовать в дальнейшем как добавку в шихту для получения железосодержащих агломерата и окатышей, благодаря чему можно заменить применяемый сейчас дорогостоящий бентонит. Соответствующие исследования мы провели совместно с сотрудниками Уралмеханобра.
— Все так просто?
— Конечно, нет. Во-первых, чтобы вводить такую добавку, нужно специальное дозирующее оборудование, и затраты на него предприятия не всегда считают оправданными, а во-вторых, даже в подготовленном красном шламе содержатся сера и фосфор. Опытно-промышленные испытания на Качканарском ГОКе показали перспективность использования обесщелоченного красного шлама для частичной замены бентонита. Но чтобы разработать оптимальные технологии, нужно продолжить исследования и досконально изучить свойства и структуру содержащихся в шламах минералов.
— Ваша технология охарактеризована как комплексная.
— Другое направление пирометаллургической утилизации красных шламов — производство чугуна, ферросилиция, глиноземсодержащих сырьевых материалов для черной и цветной металлургии, а также стройиндустрии. Для этого нужно провести обжиг обесщелоченного красного шлама во вращающейся печи с добавками коксика, известняка и, в случае необходимости, некондиционного боксита для получения клинкера нужного состава. И тут может быть два варианта.
Если целью переработки красного шлама является получение клинкера, пригодного для изготовления портландцемента и металлизованного промпродукта, то ведется восстановительный обжиг. Клинкер подвергают дроблению, как в технологии получения цемента, и затем продукты разделяются методом магнитной сепарации.При этом в цемент переходят вредные примеси без ухудшения его свойств, а металлизованный промпродукт пригоден для сталеплавильного производства. Процесс проходит в одном агрегате, поэтому затраты энергии минимальны.
Если же целью переработки является получение передельного или литейного чугунов, ферросилиция, алюмокальциевых шлаков, то обжиг ведется на клинкер, который в дальнейшем направляют в руднотермическую печь на восстановительную плавку.
В нашей лаборатории разработана программа математического моделирования отдельных процессов и технологии в целом, которая позволяет сравнивать различные решения. Благодаря гибкости предлагаемой технологической схемы можно оперативно реагировать на текущие потребности рынка в производстве черных металлов и материалов для стройиндустрии.
Дайте свинца
Электрохимическую технологию утилизации свинецсодержащих отходов разработали сотрудники Института высокотемпературной электрохимии (ИВТЭ) УрО РАН во главе с доктором химических наук Юрием Зайковым. Недавно на производственной площадке ЗАО ПО «Цветметсервис» прошли приемочные испытания опытной установки с токовой нагрузкой 3500 А и суточной производительностью более 300 кг марочного свинца. Об электролизере нового поколения рассказал старший научный сотрудник лаборатории электродных процессов ИВТЭ кандидат химических наук Павел Архипов.
— Свинецсодержащие отходы в огромных количествах образуются на предприятиях Уральского горно-металлургического комбината. Часть из них просто складируется, часть перерабатывается на Верх-Нейвинском заводе по производству сплавов цветных металлов (ныне филиал ОАО «Уралэлектромедь»). Именно там мы проводили первые испытания нового электролизера с токовой нагрузкой до 1000 А.
— Какая задача перед вами стояла?
— Традиционно черновой свинец очищают от примесей двумя методами: пирометаллургическим рафинированием в котлах и электрорафинированием из водных растворов. Оба метода имеют недостатки. Для рафинирования свинца используется технология последовательного удаления примесей с применением реагентов. В результате теряются ценные компоненты. Кроме того, расплавленный свинец испаряется, поскольку площадь открытой поверхности в котлах достаточно велика. Поэтому и встал вопрос о создании более экологически чистой и ресурсосберегающей технологии.
— В чем ноу-хау технологического решения?
— Мы подобрали электролит с наибольшим коэффициентом разделения свинецсодержащего сырья на марочный свинец и свинцовую лигатуру — тоже весьма ценный продукт. Благодаря фундаментальным исследованиям взаимодействия конструкционных материалов с расплавами хлоридов щелочных металлов и испытаниям различных составов композитов удалось создать оптимальный композиционный материал для изготовления макета электролизера. Его конструкция не имеет аналогов в мире. Электролит находится внутри керамического пористого тигля — как бы в каркасе. В процессе работы электролизера происходит избирательный перенос цветных металлов с анода на катод с помощью электрохимических превращений. Электролит не контактирует с воздухом, поэтому его компоненты не испаряются в рабочую зону. Зеркало расплавленного свинца сведено к минимуму и закрыто крышкой. Таким образом, конструкция аппарата для рафинирования позволяет избежать вредных выбросов в атмосферу. А за счет сокращения электродного расстояния энергетические затраты уменьшаются в 3 — 4 раза.
— Если нет аналогов в мире, получен ли патент? И каковы ваши дальнейшие планы?
— Да, конструкционные особенности электролизера защищены патентами. В ходе испытаний электролизера установлены его эксплуатационные характеристики при непрерывной работе, получены экспериментальные образцы конечной продукции, наработаны опытные партии марочного свинца и сплавов свинца с висмутом и сурьмой. Теперь главная задача — масштабировать разработку.