книги / Снижение экологической нагрузки при обращении со шлаками черной металлургии

результатов с кларками осадочных пород (по А.П. Виноградову) позволяет определить зоны максимальной аккумуляции. В донных отложениях отмечается накопление таких микроэлементов, как Zn, Cr, Ni, Cu, которое прослеживается на р. Чусовой и на расстоянии 2 км ниже отвала. Максимальная аккумуляция для цинка фиксируется ниже отвала на расстоянии 800–1500 м, хро-

ма – 1500–2000 м, никеля – 500 м, меди – 500–1200 м.

Рассчитанные коэффициенты донной аккумуляции показывают, что по таким элементам, как Zn, Cr, Ni, Mn, Pb, даже вдоль левого берега в 500 м ниже отвала на р. Чусовой экологическое состояние выходит за пределы относительно удовлетворительного:

Zn	Ti	Cr	Ni	Mn	Pb	Cu
143	7	54	341	28	41	3

Таким образом, отвал оказывает существенное негативное влияние на состояние рек Чусовой и Усьвы, которое проявляется в изменении химического состава вод, минерального и микрокомпонентного состава донных отложений. Существующее положение требует разработки в ближайшее время мероприятий по снижению отрицательных воздействий объекта на геологическую среду [9].

* * *

По данным Всемирной организации здравоохранения, тяжелые металлы уже сейчас занимают второе место по степени опасности, уступая пестицидам и значительно опережая такие широко известные загрязнители, как диоксиды углерода и серы. В атмосферном воздухе тяжелые металлы присутствуют в форме органических и неорганических соединений, входящих в состав пыли и аэрозолей.

201

Анализ литературных данных свидетельствует о существенном негативном влиянии шлаковых отвалов металлургических заводов на водные объекты, атмосферу и почву. Влияние проявляется в изменении химического состава вод, минерального и микрокомпонентного состава донных отложений; в атмосферу происходит выброс высокотоксичных и канцерогенных веществ. Один из путей снижения антропогенного воздействия – использование шлаков в качестве вторичных источников сырья для промышленности и строительства.

Список литературы

1.Баталин Б.С. Вред и польза шлаковых отвалов. URL: http://vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/NATURE/10_03/DRECK.HTM

2.Запарий В.В. Черная металлургия Урала в 70–90-е годы XX века. – Екатеринбург: Банк культурной информации, 2003. – 551 с.

3.URL: http://www.metaltorg.ru/news/market_show.php?id=21565

4.URL: www.chmz.ru

5.Шаповалов Д.А., Груздев В.С. Влияние техногенных выбросов на почву и растительность // Экология и промышленность России. – 2008. – №7.

6.Потапов Д.С. Минералогия и петрография шлаков металлургического производства // Минералогия техногенеза –

2007. – Миасс: ИМин УрО РАН, 2007. – С. 109–120.

7.Брызгалов С.В. Утилизация металлургических шлаков при производстве железобетонных свай // Экология и промышленность России. – 2008. – №7.

8.Рябинин В.Ф. Стекло медеплавильных шлаков. // Тез. IV Международное совещание «Геохимия биосферы». – Ново-

российск, 2008. – С. 162–163.

9.Максимович Н.Г., Блинов С.М., Меньшикова Е.А. Воздействие твердых отходов Чусовского металлургического заво-

202

да на состояние р. Чусовой // Проблемы геологии Пермского Урала и Приуралья: мат-лы регион. науч. конф.; Перм. гос.

ун-т. – Пермь, 1998. – С. 152–154.

10.Брызгунов К.А., Гаврилова О.Н. Металлургические шлаки Донбасса. – Донецк: Донбасс, 1989. – С. 80.

11.Никош И.А., Капустин А.Е., Томаш А.А. Обработка металлургических шлаков с целью получения экологически безопасного материала для гидротехнического строительства. – Мариуполь: Украина.

12.URL: http://masters.donntu.edu.ua/2007/fgtu/shishko/library/ liter10.htm

13.Лотош В.Е. Переработка отходов природопользования. – Екатеринбург: Полиграфист, 2007. – С. 503.

203

6. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ШЛАКОВ

Любые отходы можно рассматривать как вторичные материальные ресурсы, поскольку они могут быть использованы в производственных целях, либо частично (т.е. в качестве добавки), либо полностью замещая традиционные виды матери- ально-сырьевых ресурсов. Шлаки по своим физико-химческим свойствам очень близки к изверженным горным породам, которые применяются для производства строительных материалов. На современных металлургических заводах доменные шлаки практически не складируются, а сразу перерабатываются в полупродукт для дальнейшей переработки. При этом шлаки не размещают на полигонах, а сразу используют в строительстве. Тем самым полностью исключается вредное влияние шлаков на экологию прилегающих территорий.

6.1. Вяжущие материалы

на основе металлургических шлаков

В настоящее время основным потребителем доменных шлаков является цементная промышленность. Для цементной промышленности также перспективными являются некоторые другие виды металлургических шлаков: феррохромовый, позволяющий получать цветной портландцементный клинкер; никелевые и медные, применяемые в качестве железистого компонента сырьевой цементной смеси и активной минеральной добавки; шлаки алюмотермического производства ферросплавов и вторичной переплавки алюминия и его сплавов – как сырье для производства глиноземистого цемента и сверхбыстротвер-

204

деющего портландцемента; сталерафинировочные шлаки, пригодные для получения расширяющихся цементов.

Для получения шлаковых вяжущих автоклавного твердения возможно применение как гранулированных, так и медленно охлажденных сталеплавильных шлаков и шлаков цветной металлургии. Шлакосодержащие вяжущие можно подразделить на следующие основные группы: портландцемент и шлакопортландцемент, сульфатно-шлаковые, известково-шлаковые, шлакощелочные вяжущие. Из них наиболее важное значение для строительства имеют портландцемент и шлакопортландцемент, объем производства которых превалирует в общем выпуске цемента. Высока и технико-экономическая эффективность использования бесклинкерных шлаковых вяжущих, характеризующихся низкой себестоимостью, несложной технологией изготовления и сравнительно высокими строительно-техническими свойствами.

Портландцемент. В соответствии с европейскими нормами цементы общестроительного назначения разделяют на пять типов в зависимости от вида и содержания добавок. В группу портландцементов относят портландцемент I типа, содержащий до 5 % активных минеральных добавок, и портландцемент II типа, содержащий от 6 до 35 % минеральных добавок. Цемент III типа – шлакопортландцемент. Он может содержать от 36 до 80 % доменного шлака. Цементы IV и V типов – соответственно пуццолановый и композиционный цементы. Первый содержит от 21 до 55 % пуццолановых добавок, второй – 36–80 % композиции добавок, в которую как одна из добавок вводится обязательно доменный гранулированный шлак.

Доменный шлак в производстве цементов на основе клинкера применяют как компонент сырьевой смеси и как активную минеральную добавку. Экономическая эффективность применения гранулированного шлака в качестве активной минеральной добавки в цемент в несколько раз выше, чем в качестве сырье-

205

вого компонента. Как сырьевой компонент целесообразнее применять отвальные шлаки, ресурсы которых весьма велики.

По химическому составу в качестве компонента портландцементной сырьевой шихты пригодны также и сталеплавильные шлаки. Химический состав доменных шлаков позволяет использовать их вместо глинистого и части карбонатного компонентов в составе сырьевых смесей при производстве клинкера. Для доведения силикатного модуля сырьевых смесей до обычных пределов при низком содержании в шлаках Аl2О3 (7 %) в них вводят соответствующие корректирующие добавки. Шлаки можно рассматривать как в значительной мере подготовленное сырье. В их составе СаО связан в различных химических соединениях, в том числе и в виде двухкальциевого силиката – одного из минералов цементного клинкера. Высокий уровень подготовки сырьевой смеси при применении доменных шлаков обеспечивает повышение производительности печей и экономию топлива.

Замена глины доменным шлаком позволяет снизить на 20 % содержание известкового компонента, уменьшить при сухом способе производства клинкера удельный расход сырья и топлива на 10–15 %, а также повысить производительность печей на 15 %.

Для заводов сухого способа производства, эксплуатирующих печные агрегаты с циклонными теплообменными устройствами, наиболее рациональным представляется использование шлаков в качестве компонента сырьевой смеси с организацией совместного измельчения всех исходных материалов. Практикой доказана эффективность использования шлаков в составе сырьевой смеси и при мокром способе производства. Установлено, что при использовании шлакового шлама производительность вращающихся печей увеличивается на 13–20 %, расход сырьевых материалов на 1 т клинкера снижается примерно на 12 %, удельный расход топлива – на 10–15 %. Для предохранения шлаковых шламов от загустения, расслоения и схватывания целесообразно в их состав вводить добавки поверхностно-

206

активных веществ (ПАВ) и применять интенсивное перемешивание. Значительный прирост производства клинкера можно получить при двухстороннем питании вращающихся печей.

Разработаны и применяются технологические схемы подачи молотого шлака в печь с ее горячего конца (рис. 6.1), а также дополнительного питания печей путем введения доменного шлака за цепную завесу и в зону декарбонизации. При этом производительность печей повышается на 20–25 %, а удельный расход топлива снижается на 10–15 %.

10

11

Аспирационный

воздух

3

Шлак 1 4

8

7

						Шлам
			Воздух	5
		6
			от компрессора
							9
2

Рис. 6.1. Схема подачи шлака в печь с горячего конца при производстве портландцементного клинкера: 1 – мельница; 2 – винтовой насос;

3– бункер молотого шлака; 4 – шнек; 5 – эжектор; 6 – расходомерная шайба для замера воздуха; 7 – шлаковая форсунка; 8 – топливная форсунка; 9 – печь; 10 – рукавный фильтр; 11 – вентилятор [4]

Представляют практический интерес способы получения портландцементного клинкера обогащением шлакового расплава необходимыми добавками.

Опробованы конвертерный и электротермический способы химического обогащения жидких доменных шлаков, при которых тепловыми агрегатами служат соответственно стационар-

207

ный конвертер и электродуговая печь. В последнем случае достигается высокий тепловой КПД (60–80 %) и технологическая маневренность, позволяющая при изменении электрического режима печи регулировать температурные условия плавки. Тех- нико-экономическая эффективность указанных способов заключается в том, что металлургическое производство непосредственно кооперируется с цементным; это позволяет снизить капитальные затраты.

Технологическая схема применения техногенных продуктов в составе сырьевой смеси должна разрабатываться в зависимости от принятого способа приготовления этой смеси на каждом конкретном предприятии с учетом особенностей его сырьевой базы и типоразмеров печного агрегата. Так, для мокрого способа производства наиболее эффективна организация дополнительного питания печей шлаками. На основании разработок Южгипроцемента, подтвержденных в промышленных условиях, показана целесообразность использования для этой цели неразмолотых компонентов.

При совместном мокром помоле с гранулированным доменным шлаком влажность сырьевого шлама существенно снижается. Однако при таком способе приготовления сырьевой смеси производительность сырьевых мельниц уменьшается более чем на 30 %, а шлакосодержащий шлам склонен к загустеванию и осаждению в бассейнах. Использование неразмолотого шлака для дополнительного питания печей мокрого способа производства клинкера требует раздельного приготовления шлама с последующим смешением его со шлаком перед подачей в печь в отдельном смесителе или же непосредственно врабочем объеме печи.

При организации подачи шлака со шламом необходимо учитывать реологические свойства шлама и его способность транспортировать шлак. За счет применения маложелезистых шлаков – доменных и феррохромовых (разновидность шлаков ферросплавного производства) – при создании восстановительных условий плавки в электропечах возможно получение белых

208

цементов. При окислении металлического хрома, содержащегося в феррохромовых шлаках, получают клинкеры с ровной и стойкой зеленой окраской. В портландцемент с минеральными добавками при измельчении клинкера допустимо введение до 35 % доменного шлака. При этом практически без изменения активности цемента расход клинкера снижается на 14–16 %, а расход топлива уменьшается на 17–18 %. По сравнению с бездобавочным цементом наблюдается некоторое понижение прочности на сжатие и изгиб в ранние сроки твердения, увеличивается усадка и повышается водоотделение. Коррозионная стойкость портландцемента с добавкой шлака выше, чем для бездобавочного цемента, как при нормальном твердении, так и после тепловлажностной обработки.

Портландцемент с добавкой доменных шлаков обладает достаточно высокой морозостойкостью. Он надежно защищает стальную арматуру в бетоне от коррозии. Добавка шлака в портландцемент является эффективным средством предотвращения вредного влияния щелочных оксидов, что особенно важно при использовании реакционно-способных заполнителей, а также для борьбы с высолообразованием. Хорошие результаты достигаются при использовании в портландцементе смешанной добавки, содержащей доменный шлак и активную минеральную добавку осадочного происхождения.

Шлакопортландцемент – это гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе, получаемое совместным тонким измельчением клинкера, требуемого количества гипса и доменного гранулированного шлака 65–80 % или тщательным смешиванием тех же материалов, измельченных раздельно.

Гранулированные доменные шлаки в производстве шлакопортландцемента, так же как и портландцемент, применяют не только как активную минеральную добавку, но и в качестве сырьевого компонента цементного клинкера. Вместо доменных шлаков при получении шлакопортландцемента можно применять электротермофосфорные шлаки.

209

Шлакопортландцемент является одним из наиболее эффективных видов вяжущих, так как при его производстве значительная часть клинкера заменяется более дешевым гранулированным шлаком. При использовании доменных шлаков для производства шлакопортландцемента топливно-энергетические затраты на единицу продукции снижаются в 1,5–2 раза, а себестоимость – на 25–30 %. Например, при производстве шлакопортландцемента марки М400 расход топлива в среднем на 36 % ниже, чем при производстве бездобавочного портландцемента той же марки. Расход электроэнергии сокращается на 12 %, а затраты на содержание и эксплуатацию оборудования – на 10–15 %. При обычной температуре измельченные шлаки без активирующих добавок практически не обладают способностью твердеть, что объясняется отсутствием или низким содержанием в них достаточно активных фаз.

Практически единственным компонентом шлаков, способным хотя и медленно, но твердеть при нормальной температуре, является двухкальциевый силикат. Ряд других минералов приобретает гидравлические свойства лишь в условиях повышенной температуры и повышенного давления водяного пара, а также при введении активизаторов. Интенсивнее, чем кристаллы, взаимодействуют с водой шлаковые стекла. Гидравлическая активность шлакового стекла зависит от температуры выпускаемого из печи расплава, его химического состава, характера и скорости грануляции.

Важно, особенно для формирования начальной прочности цементов, чтобы условия грануляции обеспечивали получение шлака с плотной стекловидной структурой.

Доменные шлаки при производстве цементов. Качество доменных шлаков при производстве цементов характеризуется коэффициентом качества и процентным содержанием оксидов: А12О3, МgО, ТiO2, МnО. Доменные гранулированные шлаки как компоненты цементов подразделяют на три сорта (табл. 6.1).

210