Екологічні проблеми у виробництві кольорових металів та алюмінію

Конвертування штейнів протікає у дві стадії. Спочатку окислюється сульфід заліза, і для зв'язування оксидів заліза в конвертер додають кварц; утворюється конвертерний шлак. Потім окислюється сульфід міді з утворенням металевої міді і SO₂. Цю чорнову мідь розливають у форми. Злитки (а інколи безпосередньо розплавлену чорнову мідь) з метою вилучення цінних супутників (Au, Ag, Se, Fe, Bi та інших) і видалення шкідливих домішок спрямовують на вогневе рафінування. Воно засноване на більшій, ніж у міді, спорідненості металів-домішок до кисню(Fe, Zn, Co і частково Ni та інші ),що у вигляді оксидів переходять в шлак, а сірка (у вигляді SO₂) віддаляється з газами. Після видалення шлаку мідь для відновлення розчиненої в ній Cu₂О "дражнять", занурюючи в рідкий метал кінці сирих березових або соснових колод, після чого відливають його в плоскі форми. Для електролітичного рафінування ці злитки підвішують у ванні з розчином CuSO₄, підкисленим H₂SO₄. Вони служать анодами. При пропусканні струму аноди розчиняються, а чиста мідь відкладається на катодах - тонких мідних листах, також отриманих електролізом в спеціальних матричних ваннах. Для відокремлення щільних гладких осадів в електроліт вводять поверхнево-активні добавки (столярний клей, тіомочевину та інші). Отриману катодну мідь промивають водою і переплавляють. Благородні метали, Se, Те та інші цінні супутники міді концентруються в анодному шламі, з якого їх витягують спеціальною переробкою.

Наряду з пірометалургійними застосовують також гідрометалургійні методи отримання міді (переважно з бідних окислених і саморідних руд). Ці методи засновані на виборчому розчиненні мінералів,що містять мідь, зазвичай в слабких розчинах H₂SO₄ або аміаку. З розчину мідь або осаджують залізом, або виділяють електролізом з нерозчинними анодами. Дуже перспективні стосовно до змішаних руд комбіновані гідрофлотаціонні методи, при яких кисневі сполуки міді розчиняються в сірчанокислих розчинах, а сульфіди виділяються флотацією. Набувають поширення і автоклавні гідрометалургійні процеси, що йдуть при підвищених температурах і тиску.

2.2.2 Виробництво магнію

Для виробництва  магнію найбільше поширення отримав  електролітичний спосіб, сутність якого  полягає в отриманні чистихбезводних  солей магнію (хлористого магнію), електролізі  цих солей у розплавленому  стані і рафінуванні металевого магнію.

Основною сировиною  для отримання магнію є карналіт  
(MgCl₂ ^. KCl ^. 6H2O), магнезит (MgCO₃), доломіт (СаСОз ^. MgC0₃), бішофіт  
(MgCl₂ ^. 6H₂O). Найбільшу кількість магнію отримують з карналіту. Спочатку карналіт збагачують і зневоднюють. Безводний карналіт (MgCl₂ ^.КС1) використовують для приготування електроліту.

 Електроліз  здійснюють у електролізері, футерованих  шамотною цеглою. Анодами служать  графітові пластини, а катодом-сталеві  пластини. Електролізер заповнюють  розплавленим електролітом складу 10% MgCl₂, 45% CaCl₂, 30% NaCl, 15% КСlз невеликими добавками NaF і CaF₂. Такий склад електроліту необхідний для зниження температури його плавлення (720 ± 10°С). Для електролітичного розкладання хлористого магнію через електроліт пропускають струм. У результаті утворюються іони хлору, які рухаються до анода. Іони магнію рухаються до катода і після розряду виділяються на поверхні, утворюючи крапельки рідкого чорнового магнію.

Магній має  меншу щільність, ніж електроліт, тому він спливає на поверхню, звідки його періодично видаляють вакуумним ковшем.

Черновий магній містить 5% домішок, тому його рафінують  переплавкою з флюсами. Для цього  чорновий магній і флюс,що складається з MgCl, КС1, CaF, NaCI, CaCI, нагрівають в електропечі до температури 700-750 ° С і перемішують. При цьому неметалічні домішки переходять в шлак. Потім піч охолоджують до температури 670°С і магній розливають у  форми.

2.2.3 Виробництво  титану 

Титан отримують  магнійтермічним способом, суть якого  полягає в збагаченні титанових  руд, виплавки з них титанового шлаку з наступним отриманням з нього чотирихлористого титану і відновленні з останнього металевого титану магнієм.

Сировиною для  отримання титану є титаномагнетитні руди, з яких виділяють ільменітовий концентрат, що містить 40-45% TiO₂, ~ 30% FeO,  
20%  Fe₂O₃ і 5-7% порожньої породи. Назву цей концентрат отримав за наявністюв ньому мінералу ільменіту FeО ^. TiO₂.

Концентрат  плавлять в суміші з деревним вугіллям, антрацитом в рудно-термічних печах, де оксиди заліза і титану відновлюються.  
Залізо,що утворюється, насичується вуглицем, і виходить чавун, а нижчі оксиди титану переходять в шлак. Чавун і шлак розливають окремо в виливниці.

Основний продукт  цього процесу-титановий шлак містить 80 - 90% TiO₂, 2-5% ,FeO і домішки SiO₂, Al₂O₃, CaO та ін. Побічний продукт цього процесу -чавун використовують у металургійному виробництві.

Отриманий титановий  шлак піддають хлоруванню в спеціальних  печах. У нижній частині  пічі мають  у своєму розпорядженні вугільну насадку, що нагрівається при пропущенні через неї електричного струму. У піч подають брикети титанового шлаку, а через фурми в середину печі-хлор.

При температурі 800-1250°С в присутності вуглецю утворюється чотирихлористий титан, а також хлориди CaCI₂, MgCl₂ та ін.

 TiО₂ +2 C +2 Cl₂ = TiCl₄ +2 CO.

Чотирихлористий титан відокремлюється й очищується від інших хлоридів завдяки відмінності температури кипіння цих хлоридів методом ректифікації у спеціальних установках.

Титан з чотирихлористого титану відновлюють в реакторах притемпературі 950-1000°С. В реактор завантажують чушковий магній; після відкачуванняповітря і заповнення порожнини реактора аргоном всередину його подаютьпароподібні чотирихлористий титан. Тим рідким магнієм ічотирьоххлористим титаном відбувається реакція

2Mg + TiCl₄ = Ti +2 MgCl₂.

Тверді частки титану спікаються в пористу масу-губку, а рідкий  
MgCl₂ випускають через летку реактора.

Титанова губка  містить 35-40% магнію та хлористого магнію.  
Для видалення з титанової губки цих домішок її нагрівають до температури  
900-950°С у вакуумі. Титанові губки плавлять методом вакуумно-дугового переплаву. Вакуум в печі охороняє титан від окислення і сприяє очищенню його віддомішок. Отримані злитки титану мають дефекти, тому їх вдруге переплавляють. Після цього чистота титану становить 99,6 - 99,7%. Після вторинного переплаву злитки використовують для обробки тиском.

 

3.ОХОРОНА НАВКОЛИШНЬГО СЕРЕДОВИЩА ТА РАЦІОНАЛЬНЕ ВИКОРИСТАННЯ ПРИРОДНИХ РЕСУРСІВ

 

В Україні діють два провідних підприємства алюмінієвої промисловості: Дніпровський алюмінієвий завод (м. Запоріжжя). та Миколаївський глиноземний завод.

До чинників, що здійснюють значний негативний вплив  на стан навколишнього середовища, належать газоподібні, рідкі та тверді відходи виробництва.

При виробництві  глинозему шляхом переробки алюмінієвих руд утворюється сірчаний ангідрид, а при переробці нефелінів містяться майже всі компоненти, необхідні для виробництва цементу. Тому в першому випадку викидається велика кількість пилу.  

Джерелом забруднення  повітря є також термічні переділи: випал вапняку, спікання шихти і кальцинація – зневоднення. Піч спікання за годину викидає до 300 тис.м³ газу, а в кожному з них міститься до 150 мг пилу; піч кальцинації – до 72 тис. м³ газу, тобто в 4 рази менше, але пилу в них у стільки ж разів більше.

 Викиди алюмінієвої промисловості містять токсичні пилоподібні речовини, миш’як, свинець та інші, тому є особливо небезпечними. При отриманні металевого алюмінію електролізним способом відбувається бурхливе виділення анодних газів, збагачених пилом та шкідливими складовими. Пил містить глинозем і кріоліт. Діапазон розмірів часток пилу від 1 до 50 мкм. Склад газів: фтористий водень, оксиди вуглецю, смоли, сірчаний газ, пил. Концентрація цих речовин в газах залежить від типу електролізера, виду анодів, способів завантаження глинозему, режиму роботи електролізера та інших. Температура анодних газів досягає 150°С, тому має місце теплове забруднення атмосфери.

При отриманні 1 т алюмінію в залежності від  типу і потужності електролізера  витрачається, 38-45 кг фтору, при цьому приблизно 65% його потрапляє в повітря. Забруднювачами слугують джерела втористого водню – кріолін, тобто сполука без якої неможливий електроліз. В газах його міститься до 200-300 мг/м³.  

Заходи боротьби з шкідливим впливом газів  різноманітні. На нових глиноземних заводах застосовують двоступеневу схему очищення газів від печей спікання і кальцінації глинозему: батарейні циклони і чотирипильні сухі електрофільтри типу УГ зі швидкістю руху газів в електричному полі 1,0-1,3 м/с. При загальному ККД очистки 99-99,9% в очищених газах міститься пилу 0,1-0,2 г/м³.

Димососи встановлюють в кінці системи або перед  електрофільтрами. Звичайно батарейні  циклони монтують над печами, а  вловлений в них пил самоплавом повертається в піч низьконапірним пневмотранспортом, і процес повторюється. Аналогічну схему очищення застосовують для очищення газів вапняково-випалювальних печей.

Аспіраційні гази вузлів пересипки і дроблення  спіку очищають за один ступніь в  горизонтальних електрофільтрах типу УГ за швидкістю руху газів в електричному полі до 0,7 м/с. Залишкова запиленість газів, що надходять до атмосфери, становить 0,1-0,15 г/м³.

Гази, що надходять  від електролізерів, з домішками  таких забруднюючих речовин як фтористий  водень, пил і смолисті речовини, очищають за допомогою слабкого содового розчину (4-6%). Пил і смолисті речовини можуть також видалятись за допомогою електрофільтрів, а фтористий водень в форсуючних скруберах із зрошенням розчином соди. Ступінь очищення таким способом від різних забруднювачів становить: фтористий водень – 97–98%, пил – 95%, смоли – 60%.

В електролізерах з обпаленими анодами газ очищають в два етапи: спочатку у вертикальних електрофільтрах, а потім в мокрих скруберах. Ступінь очищення – 92% від  пилу і 96-97% від фтористого водню.  
  Електролізери обладнані також пальниковими пристроями для допалювання оксиду вуглецю.

Забруднені  води при виробництві алюмінію очищають на локальних очисних спорудах з  подальшим використанням їх в  системах зворотного водопостачання. Свіжа вода необхідна лише для підживлення системи.

Основна частина  забруднюючих речовин в стічні води потрапляє при очищенні газів. Але  значне забруднення води відбувається через поверхневий стік з території  підприємства. Алюмінієве виробництво  належить до тих виробництв, на яких за умовами технології неможливо у повній мірі виключити надходження у стік специфічних домішок з токсичними властивостями.

Так як стічні води алюмінієвого виробництва мають  високу температуру, то в системах зворотнього  водопостачання предоглядаються споруди для очищення води від завислих і токсичних речовин (відстійники, фільтри та інші) для охолодження (градирні, бризкальні басейни), для пом’якшення (катіонітові фільтри), для видалення токсичних речовин (адсорбери).

При виробництві  багатьох кольорових металів є шлам, що накопичується у шламовідстійниках, і який може використовуватись у промисловості будівельних матеріалів. Наприклад, при виготовленні алюмінію з нефелінів з відходів виготовляють нефеліновий цемент, з якого отримують конструкційний ізоляційний газобетон високих марок, зі шламу отримують вогнетривкий бетон і цеглу, а також випалені плити, блоки, легковаговий ізоляційний матеріал. У дорожньому будівництві його використовують для зміцнення ґрунтів підстилаючого шару, а також як в’яжучий асфальтобетон.

Розроблені  методи використання шламів алюмінієвої  промисловості при виробництві  шлакощебеню, шлакокристалів, в’яжучих матеріалів, будівельної кераміки, глиняної і силікатної цегли, а також  цементу і керамзиту як залізовмісної  добавки замість дефіцитних піритних недогарків.

Шлами можуть слугувати  перспективною сировиною для  багатьох інших будівельних матеріалів. Червоний шалам алюмінієвого виробництва  знайшов своє застосування як реагент  в металургійній промисловості  при виробництві агломерату і  залізорудних окатишів, як пігмент для зафарбування ламінованих деревостружкових плит. Дослідження виявили, що червоний шлам алюмінієвої промисловості є добрим сорбентом для очищення промислових газів від сполук сірки, фтору, азоту та інших, для уловлення пестицидів із забруднених вод. Червоний шлам все ж тієї алюмінієвої промисловості має складну будову. Вміст в ньому великого набору макро- і мікроелементів (фосфору, заліза, магнію, марганцю, міді, кобальту, титану, нікелю, сірки, хлору і бору), що знаходяться в рухливому стані і легко засвоюється рослинами, відсутність небезпечних токсичних речовин дають можливість застосовувати червоний шлам як мінеральні добрива для підживлення сільськогосподарських культур. Мікроелементи, що входять у червоний шлам, значно поліпшують якість і харчову цінність врожаю. Враховуючи лужні якості червоного шламу, його застосування особливо перспективне на засолених грунтах. Значним внеском у захист навколишнього середовища є реутилізація використаного металу.

 В аналогічному ступені  відбувається забруднення повітря та води на підприємствах кольорової металургії, що займаються виготовленням міді, цинку, свинцю та інших металів. Важливою проблемою для підприємств кольорової металургії є забруднення ландшафтів. На територіях заводів накопичується дуже велика кількість твердих відходів та шламів. Шламосховища часом досягають за площею 200 га. Ці шламонакопичувачі на поверхні висихають і вітер розносить пилюку на прилеглі до заводів території. Відходи також інфільтруються у грунт і потрапляють в підземні води, забруднюючи їх.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВИСНОВКИ

1. Приведена загальна характеристика кольорової металургії в Україні.
2. Описані загальні методи та етапи виробництва алюмінію, міді ,магнію та титану.
3. Показаний вплив металургійних підприємств на біосферу. Запропоновані методи боротьби з негативним впливом металургійних комплексів.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список використаних джерел