Шлаки цветной металлургии

Содержание

Введение ------------------------------------------------------------------        2

    1.    Виды  шлаков ---------------------------------------------------          2

    2.    Состав и характеристика шлаков ------------------------           2

    3.    Применение  шлаков -------------------------------------------        3

    4.     Использование  шлаков цветной металлурги -----------       4

    5.     Отходы  цветных металлов  ----------------------------------        4

    6.     Образование отходов в металлургии ----------------------        5

    7.     Характеристика  экологической опасности отходов  -----    6

    8.    Утилизация отходов в металлургии  -------------------------- 7

Заключение  -------------------------------------------------------------------- 11

Литература  -------------------------------------------------------------------     12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

    Шлаки – продукты высокотемпературного взаимодействия компонентов исходных материалов – топлива, руды, плавней и газовой среды. Это сырье имеет множество ценных качеств и при этом очень долго пробивало путь к широкому применению в строительной промышленности. Во многих районах страны из шлака построены многоэтажные дома, промышленные здания, возведены мосты и плотины, проложены ленты автострад. Из обременительного отхода он становится признанным сырьем строительной промышленности.

Виды шлаков

    - шлаки черной металлургии: ваграночные, доменные, сталеплавильные, мартеновские;

    - шлаки цветной металлургии, которые делятся на отвальные и передельные.                         

    Последние содержат в своем составе ценные металлы, их используют в головных процессах технологических схем. Отвальные шлаки содержат в своем составе оксиды металлов, которые невозможно извлечь в металлургическом переделе, различные примеси, а также небольшое количество ценных металлов. Частично отвальные шлаки применяют в производстве шлаковаты и иных стройматериалов;

   -  топливные шлаки или золошлаки, образуются при сгорании топлива на ТЭЦ.

Состав и характеристика шлаков

    Шлаки состоят из окислов серы, марганца, магния, кальция, железа, алюминия, кремния и других. Такие же окислы содержатся и в горных породах, залегающих на глубине. Шлаки могут иметь качества вулканической пемзы или гранита, все зависит от количественного баланса входящих в их состав окислов, а также от скорости и условий охлаждения расплавленных шлаковых масс. По своему цвету они тоже очень сходны с горными породами. Шлаки могут быть серыми, розовыми, желтыми, зелеными, белоснежными, иссиня-черными. Нередко имеют сиреневые, перламутровые и серебристые оттенки.

 

 

    Исходя из химического состава доменные шлаки подразделяют на:

     - основные, отличаются высоким содержанием CaO (46—50 %) и сравнительно низким содержанием глинозема (около 10 %);

     - нейтральные шлаки — CaO (40—45 %);

     - кислые — CaO (35—42 %) и высокое содержание глинозема, которое доходит до 15 %.

    Состав шлаков цветной металлургии более разнообразен. Помимо оксидов марганца, железа, магния, кальция, алюминия, кремния, в них присутствуют такие ценные компоненты, как кадмий, свинец, цинк, кобальт, медь, редкие металлы.

    Исходя из специфического состава шлаков цветной металлургии, при их использовании применяется комплексная переработка, которая состоит из трех этапов:

     -предварительное извлечение редких и цветных металлов;

     -выделение железа;

     -применение силикатного шлакового остатка для изготовления стройматериалов.

    Аналогично классифицируют и топливные шлаки, подразделяя их на кислые, основные, нейтральные.

Применение шлаков

    Сегодня шлаки широко применяются в строительной индустрии, где удельный вес этого сырья достигает 50 %. Причем чаще используются именно доменные шлаки, состав которых близок к составу смесей цемента.

    Во многих случаях доменные шлаки перерабатываются методом грануляции, принцип которой состоит в резком охлаждении сырья воздухом, водой или паром. В результате получают крупные стекловидные зерна размером до 10 мм. Такие гранулы используют для изготовления шлако-портландцемента, минеральной ваты, шлакощелочных бетонов. Доменные шлаки не гранулированные применяются при строительстве дорог в качестве щебня. Помимо этого, из доменных шлаковых расплавов получают шлаковую пемзу, применяемую для изготовления легких бетонов и как утеплитель.

    Отходы сталеплавильного производства не гранулируют, их просто сваливают в отвалы, где потом они разваливаются на куски. Такие кусковые шлаки идут на производство шлаковой муки, щебня. Отходы цветной металлургии используются реже, в основном их применяют при производстве литых изделий, минеральной ваты, цемента.

Использование шлаков цветной металлурги

    Наиболее перспективное направление использования шлаков цветной металлургии - их комплексная переработка: предварительное извлечение цветных и редких металлов; выделение железа; использование силикатного остатка для производства строительных материалов. Шлаки медеплавильных печей, никелевого производства, свинцовой шахтной плавки незаменимы в производстве вяжущих автоклавного твердения, материалов для укрепления грунтов, огнеупоров, теплоизоляционных материалов.

Отходы цветных металлов

    Отходы цветных металлов - это промышленные отходы, содержащие цветные металлы или состоящие из них, получаемые как при механической обработке, так и при плавке, гальванике и других металлических процессах, а также брак изделий и деталей в процессе производства. К отходам текущего производства относятся:

     - отходы металлургического передела (шлаки, съёмы);

    - отходы прокатного передела (обрез концов, стружка, опилки при разрезании слитков, окалина и др.);

     - отходы литейного производства (литники, съёмы, шлаки);

     - отходы механической обработки литья, прессованных изделий, поковок и других полуфабрикатов (высечка, обрез, стружка и др.);

     - отходы кабельного производства (обрез концов кабелей, проводов);

     - отходы производства оцинкованного железа и белой жести (изгорь, зола и др.);

Образование отходов в металлургии

    Ухудшение экологической обстановки металлургией небезосновательно связано с загрязнением атмосферы, но его не следует и преувеличивать. В выбросах оксида серы мировой вклад металлургии составляет 15% (более половины из них дает цветная металлургия), столько же - химия, а лидирует энергетика (70%). Аналогичное соотношение характерно и для оксидов азота. Методы очистки газов хорошо разработаны и одинаковы для всех отраслей промышленности, поэтому мы не затрагиваем эти вопросы. Однако металлургия является источником и огромной массы твердых отходов.

    Основной путь получения металлов - пирометаллургия, использующая высокотемпературные процессы. Выплавке металла предшествуют обогащение и подготовка руд: агломерация (спекание железорудного сырья) в черной металлургии, плавка на штейн (расплав сульфидов металлов) в цветной металлургии. На каждой операции образуются отходы. Их можно разделить на предшествующие металлургическому переделу и сопутствующие ему.

    Обогащение руд приводит к образованию хвостов - дисперсной фракции с низким содержанием основного компонента. Другой пример - красные шламы, отходы переработки бокситов на глинозем Al2O3 . Они содержат до 50-60% Fe2O3 , а их запасы превышают 150 млн. т. Отходы, сопутствующие металлургическим переделам, включают несколько видов. При выплавке металлов формируются шлаки, основу которых составляют оксиды. Это наиболее массовый вид отходов. Работа металлургических агрегатов сопровождается выносом пыли с отходящими газами. При мокрой газоочистке эта пыль в отстойниках превращается в кашеобразную массу (шлам). При последующих переделах (разливка стали, прокатка) образуются окалина и обрезь (скрап). Основным полезным компонентом отходов металлургии, включая цветную, является железо, и решение ресурсоэкологической задачи их утилизации может быть получено в черной металлургии.

 

 

Характеристика экологической опасности отходов

    Экологическая опасность отходов определятся сочетанием многих факторов. Прежде всего, это их физическое состояние, химический состав и наличие экотоксикантов. Техногенные отходы металлургии часто содержат элементы, опасные для человека и экосистемы. Это мышьяк, сера, фосфор, тяжелые цветные металлы - цинк, свинец, кадмий. Экологическая опасность таких отходов резко возрастает из-за их дисперсности.

    Наибольшую угрозу представляют пыли и шламы, которые рассеиваются ветром при хранении. Малые размеры частиц способствуют переходу элементов в водорастворимые соединения, так называемому выщелачиванию. Из-за амфотерности многих металлов выщелачивание происходит при любом рН. Вредные вещества и ионы тяжелых металлов попадают в воду и почву. Очень токсичны пыли электросталеплавильных печей, в которых также содержатся хлор и фтор (в США плата за их хранение составляет десятки долларов за 1 т). Концентрация вредных компонентов в пылях и шламах в десятки и сотни раз больше, чем в шлаках, что связано с летучестью многих примесей. Поэтому уже простой перевод пыли в компактное состояние (спекание, сплавление) дает значительный экологический эффект. Вредные примеси содержатся и в шлаках цветной металлургии однако здесь они находятся в компактном состоянии шлакового монолита, что существенно снижает экологическую опасность. Еще инертнее шлаки черной металлургии .

    Таким образом, отходы металлургии включают и высокотоксичные материалы (пыли), и относительно инертные (доменные шлаки). Но даже складирование сотен миллионов тонн отходов требует отторжения больших площадей.

 

 

 

 

 

 

Утилизация отходов в металлургии

    Главными факторами, определяющими возможность экологически безопасной утилизации отходов, вновь становятся их физическое состояние и химический состав. На это накладываются технические возможности существующих технологий и экономическая целесообразность с учетом экологической перспективы. Можно выделить три подхода к утилизации отходов: прямое использование, переработка с извлечением полезных компонентов, уничтожение. Наиболее рациональны первые два, но не все отходы можно переработать. Несмотря на наличие полезных компонентов, на настоящем этапе может не существовать эффективных технологий их извлечения. Такие отходы дешевле и безопаснее уничтожить

    Переработке с извлечением полезных компонентов могут подвергнуться различные отходы, но их состав, дисперсность, влажность затрудняют применение существующих технологий. Отходы, которые постоянно накапливаются и требуют новых площадей для хранения - это хвосты обогащения, пыли и шламы, шлаки цветной металлургии. Концентрация железа в этих шлаках достигает 25% и более, а в пылях и шламах черной металлургии до 60%, что превышает показатели необогащенных руд. Но все они содержат примеси летучих металлов, прежде всего Zn (3-7% в шлаках медных заводов, 6-10% в свинцовых). В отвалах цветной металлургии содержатся Cu, Co, Ni, Ag. Огромные запасы отходов привели к возникновению своеобразных техногенных месторождений.

    Проблема использования отходов в том, что нет промышленных технологий переработки отходов. Их использование затруднено дисперсностью и присутствием летучих металлов. Хвосты обогащения дисперсны, но не содержат летучих примесей. Шлаки - компактный продукт, но содержат много примесей. Пылям и шламам присущи оба недостатка.

    Окисленная форма железа в отходах определяет необходимость их переработки восстановительными процессами, например доменным. Однако дисперсные материалы нарушают газодинамику печи и увеличивают пылевынос. Применение агломерации не решает проблемы, так как процесс связан с интенсивным прососом газов через слой шихтовых материалов. Поэтому такие отходы должны быть предварительно окомкованы. Но этим не исчерпываются трудности переработки отходов с летучими примесями.

    Цинк и щелочные металлы - не только летучи (имеют высокое давление насыщенного пара), но и легко восстанавливаются уже на средних горизонтах печи в виде паров. Поднимаясь с газовым потоком, пары окисляются и конденсируются на поверхности шихтовых материалов. Со столбом шихты оксиды опускаются, опять попадают в зону высоких температур, восстанавливаются, и возникает круговорот металлов. Причина циркуляции лежит в самом принципе шахтной печи, где всегда существуют градиенты окислительно-восстановительных условий и температуры по ее высоте. Циркуляция увеличивает расход кокса - дефицитного и дорогого топлива. Кроме того, примеси конденсируются на стенках доменной печи.

    Щелочные металлы растворяются в огнеупорной футеровке, подвергая ее химической эрозии. Цинк и его оксид образуют наросты (настыли), которые механически разрушают футеровку.

    Таким образом, даже при использовании окатышей из высокожелезистых окомкованных пылей и шламов происходит перерасход кокса и возникает взаимодействие примесей с футеровкой. При переработке отходов цветной металлургии это усугубляется дополнительным расходом кокса из-за более низкого содержания железа. Окатыши из чистых по примесям хвостов обогащения приводят к перерасходу кокса по этой же причине. Поэтому переработка указанных материалов очень ограниченна.

    Шламовые отвалы пытались ликвидировать, используя их для засыпки отработанных карьеров и оврагов с последующей рекультивацией плодородной землей. Однако полученные “плоды” содержали токсичные вещества, и эта практика была прекращена. Аналогичный пример: отсыпка искусственных островов из шламов приводила к появлению токсинов в морепродуктах. Помимо неэкологичности таких решений они сводятся к закапыванию железа в землю, из которой его извлекали.