УДК 669.1(075.8)
ПРОБЛЕМЫ ОБРАЗОВАНИЯ И УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ ФЕРРОСПЛАВНОГО ПРОИЗВОДСТВА
© Жданов Александр Витальевич1, канд. техн. наук, e-mail: avzhd@mail.ru; Жучков Владимир Иванович2, д-р техн. наук, проф., e-mail: avzhd@mail.ru; Дашевский Виктор Яковлевич3, д-р техн. наук, проф., e-mail: vdashev@imet.ac.ru; Леонтьев Леопольд Игоревич3, д-р техн. наук, проф., академик РАН, e-mail: lleontev@imet.ac.ru
1 Институт материаловедения и металлургии Уральского федерального университета им. первого Президента России Б.Н.Ельцина. Россия, г. Екатеринбург
2 Институт металлургии УрО РАН. Россия, г. Екатеринбург
3 Институт металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова РАН. Россия, Москва Статья поступила 24.10.2013 г.
Образование отходов в ферросплавном производстве происходит главным образом в виде шлаков, пылей и шламов газоочистки, а также ферросплавного газа. Объемы этих продуктов зависят от применяемых шихтовых материалов и технологии производства предприятия. Основным отходом при производстве ферросплавов являются шлаки, количество и состав которых зависит от применяемой технологии производства. Проблема образования отходов при производстве ферросплавов должна рассматриваться как результат применяемой технологии их производства. Для рационального подхода к его утилизации необходимо соблюдать принципы максимального сбора и улавливания отходов, а также анализа альтернатив применения на основе точной оценки их физико-химических характеристик (химический, фракционный, минералогический составы и ряд других характеристик).
Ключевые слова: отходы ферросплавного производства; образование отходов; химический состав отходов; объемы отходов.
Российская Федерация — один из крупнейших мировых производителей продукции черной металлургии. При прогнозируемом росте объемов выплавки стали и требуемых для ее производства ферросплавов России необходимо удерживать свои позиции в мировом рейтинге, для чего следует обеспечить конкурентоспособность отечественных предприятий, основу которых составляют сырьевая безопасность, энерговооруженность и низкая ресурсоемкость применяемых технологий в отрасли [1, 2]. В условиях сокращения запасов высококачественных руд в мире и России, а также ужесточения экологических требований к производству металлургической и, в частности, ферросплавной отрасли, все более актуальной становится задача организации комплексных малоотходных технологий*, поскольку общее состояние с образованием и потреблением собственных отходов, а также с затратами на их переработку, неблагоприятное.
По данным Росстата [3], общие затраты на охрану окружающей среды в РФ за период 20032013 гг. стабильно увеличиваются (рис. 1). Структура затрат на переработку отходов в 2011 г. по отношению к 2003 г. растет в абсолютных зна-
чениях (рис. 2, а, б), и незначительно в соотношении с другими мероприятиями (рис. 2, в, г). Таким образом, прирост затрат на охрану окружающей среды в целом произошел с коэффициентом 2,56, а по отдельным статьям от 1,1 до 2,95 раза (рис. 3).
Ферросплавное производство является достаточно ресурсоемким в плане затрат и материалов, и энергии. Объемы производства ферросплавов в России оцениваются в размере 1,2-1,4 млн т/год. При этом структура производства ферросплавов
450000 -| 400000 -
ю as
а! 300000 -as В
| i 250000 -^ 2
£ ST 200000
и
S"1 >Н
150000 -100000 -50000 -
2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 Годы
Рис. 1. Затраты на охрану окружающей среды по Российской Федерации в 2003-2011 гг.
1 Указ Президента РФ №1157 от 10.08.2012 г. «О проведении в Российской Федерации Года охраны окружающей среды».
0
Рис. 2. Структура затрат на охрану окружающей среды
(млн руб.) в 2003 г. (а) и 2011 г. (б) и в процентном соотношении в 2003 г. (в) и 2011 г. (г) соответственно по статьям затрат:
1 - охрана атмосферного воздуха; 2 - очистка сточных вод; 3 - обращение с отходами; 4 - защита и реабилитация почвы, подземных и поверхностных вод; 5 - сохранение биоразнообразия и среды обитания; 6 - прочие
Рис. 3. Прирост затрат на переработку отходов в 2011 г. относительно данных 2003 г.; порядковые номера соответствуют статьям затрат на рис. 2
имеет свою специфику [4]: 48% общего объема приходится на сплавы ферросилиция и технический кремний; до 30% составляют хромовые сплавы, около 16% - сплавы марганца (производство силикомарганца в ОАО «ЧЭМК») и 6% - прочие сплавы.
Около 94% всего объема ферросплавов (1,1 млн т) производится в рудовосстановитель-ных электропечах непрерывным карботермиче-ским процессом, связанным с образованием значительного количества отходов, образующихся уже на стадии добычи и обогащения минерального сырья (кварцита, хромитовых и марганцевых руд, угля, известняка и др.).
Эффективное малозатратное решение проблемы отходов в металлургии достигается сокращением их количества, зависящего от технологических факторов, улавливанием всех видов отходов с минимальным попаданием в окружаю-
щую среду, наиболее рациональным и полным их использованием.
Образование отходов в ферросплавном производстве происходит, главным образом, в виде шлаков, пылей и шламов газоочистки, а также ферросплавного газа. Объемы образования этих продуктов зависят от применяемых шихтовых материалов и технологии производства. Основными отходами являются шлаки, количество и состав которых зависит от применяемой технологии производства.
Производство хромовых ферросплавов - высокоуглеродистого феррохрома и силикохрома, получаемых карботермическим процессом, различается по своим параметрам с точки зрения образования отходов. Кратность шлака при производстве высокоуглеродистого феррохрома варьируется в пределах 1,0-1,9 и зависит, главным образом, от содержания оксида хрома в рудном сырье. Шлак формируется в основном магнези-ально-глиноземистой пустой породой хромито-вых руд с добавлением в качестве флюса крем-неземсодержащих материалов (кварцит, шлаки кремнистых сплавов).
Производство силикохрома может быть организовано одно- либо двухстадийным способом. При этом одностадийный способ (так называемый «шлаковый») в настоящее время в России не применяется. Двухстадийный способ производства предполагает на первой стадии получение передельного высокоуглеродистого феррохрома, а на второй стадии - получение силикохрома с добавлением кварцита и восстановителя, при этом кратность шлака составляет 0,02-0,06 («бесшлаковый» процесс).
Количество шлака, подлежащего утилизации при производстве высокоуглеродистого феррохрома и силикохрома, может быть принято соответственно средней кратности шлака, равной 1,5.
При производстве высокоуглеродистого ферромарганца в дуговых рудовосстановительных и доменных печах флюсовым способом в зависимости от вида сырья кратность шлака варьируется в пределах 0,6-1,22 и может быть принята для дальнейшей оценки на уровне 0,9 (при работе печей на богатой марганцевой руде). Особенностью плавки ферромарганца является необходимость поддержания основности шлака на уровне 1,1-1,5, для чего в качестве флюса в шихту добавляется известняк либо доломит.
Процесс производства сплавов кремния является условно бесшлаковым, поскольку кратность
шлака, в зависимости от получаемого сплава, составляет 0,05-0,1.
Количество образующихся шлаков при текущих объемах производства ферросплавов в России [5] приведено в табл. 1.
Шлаки, образующиеся при производстве ферросплавов карботермическим способом, после кристаллизации и охлаждения не рассыпаются и остаются в кусковом виде, не требуя дополнительных мер по их стабилизации и работы с мелкодисперсными материалами.
Типичный химический состав шлаков, пылей и шламов производства хромовых, марганцевых и кремниевых сплавов приведен в табл. 2-4 [5-13]. Как правило, производство высокоуглеродистого феррохрома и силикохрома организовано в одном цехе, поэтому улавливание пыли от печей, выплавляющих эти сплавы, происходит одновременно. По химическому составу пыль от печей выплавки силикохрома отличается главным образом повышенным содержанием кремнезема по сравнению с составом пыли от печей производства высокоу-
Таблица 1. Объемы образования ферросплавных шлаков в РФ, т/г
Вид сплава Объем производства ферросплавов, тыс. т Кратность шлака (средняя) Масса шлака, тыс. т
Кремнистые сплавы 566,4 0,1 56,64
Хромовые ферросплавы 354,0 1,5 531,00
Марганцевые ферросплавы 188,8 0,9 169,92
Всего 1109,2 - 757,56
глеродистого феррохрома (см. табл. 3).
Производство углеродистого ферромарганца ведется в доменных печах Косогорского металлургического завода (ОАО «КМЗ») и Саткин-
Таблица 2. Химический состав шлака и пыли газоочистки при производстве ферросилиция, мас. %
Материал SiO2 ^2 аморфный CaO MgO SiC Металл* Na2O C
Шлак ферросилиция 32 - 18 16 0,8 15 15-25 - - - -
Микрокремнезем (пыль газоочистки) - 85-98 0,1-1,0 0,1-1,5 0,2-2,0 - - 0,1-3,0 0,1-1,0 0,2-3,0 0,2-3,0
* По химическому составу соответствует выплавляемой марке ферросплава.
Таблица 3. Химический состав шлака и пылей газоочистки при производстве хромовых сплавов, мас. %
Материал ОД MgO SiO2 CaO FeO C SiC
Шлак силикохрома* 3,5 8 13 45 0,5 0,2 - 3
Шлак высокоуглеродистого феррохрома 4,3 44,2 17,3 29,8 2,5 0,8 - -
Пыль газоочисток (рукавные фильтры) 20,1 35,8 6,1 13,4 0,8 6,3 4 -
Пыль газоочисток (циклоны) 43,1 20,8 6,9 9,3 1 11,1 6,2 -
* Дополнительно содержит порядка 30% металла 13%; Сг 9%; Бе 4%; С 4%).
Таблица 4. Химический состав шлаков и пылей при производстве марганцевых сплавов, мас. %
Материал MnO Feобщ p* CaO MgO ^2 S ZnO п.п.п. С
Доменный высокоуглеродистый ферромарганец
Шлак 16,5 0,65 0,01-0,4 41,0 6,5 32,0 7,5 1,1 0,65 0,02 - -
Колошниковая пыль 16,5 2,05 0,1-0,25 28,5 6,5 26,5 7,5 1,1 0,85 0,16 - 8,0
Шлам / пыль 2-й стадии очистки 17,0 4,50 0,1-0.3 14,5 6,0 20,0 7,5 1,0 1,50 0,50 70-85** /11-13 21,5
Электропечной ф ерро- и силикомарганец
Шлак силикомарганца 14,216,8 0,150,20 0,0120,014 17-18 4,5-5,5 49,050,0 7,0-8,0 0,8-1,3 3,3-4,5 - - 0,20,4
Шлак высокоуглеродистого ферромарганца 15,518,1 0,100,15 0,080,11 35-38 3,0-4,0 34,036,0 4,0-5,0 0,5-0,8 2,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.