Техногенные материалы – перспективное сырьё металлургии ближайшего будущего .

Превращение концепции устойчивого развития в главный приоритет развития мировой цивилизации выдвигает жесткие ограничения к освоению новых природных месторождений. В связи с критическим состоянием окружающей среды необходимо учитывать возможность существенного сокращения геологоразведочных работ на ещё нетронутых территориях планеты. Поэтому с высокой степенью уверенности можно утверждать, что уже во второй половине 21-го столетия основной сырьевой базой металлургии, как цветной, так и черной, станут месторождения полиметаллических руд и техногенных материалов /8, 55, 56, 136, 332…335, 399/.

Их освоение требует разработки принципиально новых металлургических технологий, позволяющих осуществить глубокое селективное разделение металлов с высокими коэффициентами их извлечения из исходных материалов. Внедряемые технологии должны обеспечивать экологическую чистоту реализуемых технических решений при прогнозируемом и контролируемом составе отходов и попутных материалов/8, 44, 47, 48, 55, 56, 400/.

В последние годы в МИСиС проводились целенаправленные исследования по определению полного химического состава всех видов материалов, используемых и получаемых в процессах черной металлургии: руд, концентратов их обогащения, агломератов, окатышей, флюсов, углей и коксов, шлаков, шламов, пылей, чугунов и сталей (Главы 3 и 4). Анализ полученных результатов показал, что на тонну готовой продукции предприятий черной металлургии в производственный цикл поступает от 4 до 10 кг примесных микроэлементов. Следует ожидать, что с освоением месторождений полиметаллических руд это количество возрастёт в десятки раз /401/.

Особую роль в черной металлургии играет твёрдое топливо. Коксующиеся угли становятся всё более дефицитным и дорогостоящим сырьём. В связи с этим расширяется спектр углей, используемых при производстве кокса, но не обладающих спекающими свойствами. Быстро растёт количество углей, применяемых в качестве пылеугольного топлива и загружаемых в доменные печи через колошник. В ближайшем будущем ожидается развитие и распространение в производстве технологий получения формованного кокса. Во всех упомянутых случаях применяются угли с повышенным (в сравнении с классической технологией коксования) содержанием примесей.

Полный химический анализ коксов, используемых металлургическими предприятиями Европейской части России и Урала показал, что они содержат до 7 кг/тонну примесных микроэлементов. Таким образом, уже сейчас при производстве чугунов специального качества металлургические угли рассматриваются как самостоятельный металлосодержащий компонент агломерационной и доменной шихты.

Ещё одним источником цветных и редких металлов в черной металлургии стали отходы пластмасс. Технологии их утилизации внедрены в доменных печах в Германии и Японии /402…404/.

Исследования потоков более чем 30 характерных для черной металлургии микроэлементов – металлов позволили оценить возможность их накопления на территории металлургических регионов в грунтах, отвалах, золошламонакопителях и других техногенных образованиях. Детальные исследования, проведённые для условий ОАО «Северсталь», показали, что мощность техногенного месторождения комплексных техногенных материалов в районе города Череповец может достигать 300 тыс. т (Глава 5).

В связи с огромными масштабами производства черных металлов (в сравнении с уровнем получения других металлов) многие цветные, редкие, рассеянные металлы, присутствующие в шихтовых материалах черной металлургии в концентрациях лишь 10 – 50 г/т материала, поступают в доменные печи некоторых металлургических комбинатов в количествах, сопоставимых с уровнем их общемирового потребления. К таким металлам относятся, например: галлий, германий, индий, бериллий, многие редкоземельные металлы. В результате анализа большого статистического материала установлено и подтверждено расчетами с использованием новейших методов термодинамики, что поведение микроэлемента в металлургических агрегатах зависит от формы его присутствия в шихтовых материалах и способа ввода последних в агрегат (Глава 4).

Все продукты доменной плавки: чугун, шлак, шлам, возгоны могут рассматриваться как сырьё для извлечения редких, рассеянных и цветных металлов. Таким образом, можно предполагать, что одной из наиболее перспективных металлургических технологий 21 века будет технология совместной комплексной переработки полиметаллических руд, техногенных материалов и углей на базе агломерационного и доменного производства с получением в качестве основных продуктов процесса сырьевых материалов для цветной металлургии. Принципиальная схема такой технологии приведена на рис 36 /322/.

Рисунок 37. Принципиальная схема переработки комплексного сырья на базе агломерационного и доменного производства.

Включение в глобальный производственный цикл переработки промышленных отходов решает одновременно две актуальные мировые проблемы – проблему ресурсов и проблему сохранности окружающей среды. Наиболее предпочтительным способом решения проблемы утилизации промышленных отходов является производственный рециклинг. Однако практика мирового хозяйства показала, что более 70 % всех образующихся техногенных отходов не могут быть переработаны предприятиями-изготовителями отходов. Это относится, прежде всего, к предприятиям энергетики, транспорта, оборонным отраслям промышленности, машиностроению и др. Это также целиком относится к отложенным отходам. Перерабатывать подобные материалы предстоит отраслям, эти отходы не производившим. Таким образом, назрела проблема концепции «глобального» (межотраслевого и межрегионального, а в будущем и международного) рециклинга материалов. Важнейшую роль в этом процессе могут сыграть предприятия чёрной металлургии. Некоторые металлургические агрегаты обладают уникальными возможностями для переработки практически любых видов отходов и, что не менее важно, достаточной производительностью. Прежде всего, к таким агрегатам относятся шахтные печи, например, доменные и ваграночные, используемые, соответственно, для извлечения железа из рудного сырья и выплавки литейного чугуна. В упомянутых агрегатах могут быть использованы как кусковые, так и мелкодисперсные твёрдые и влажные техногенные материалы, жидкие и газообразные токсичные отходы (в том числе содержащие углерод и водород, галогеносодержащие, взрывоопасные, включающие свинец, стронций, мышьяк и проч.). При этом:

– полностью исключаются выбросы токсичных соединений на поверхность земли (поскольку доменные и ваграночные шлаки и шламы являются ценным сырьём для строительной индустрии);

– минимизируются выбросы в водный бассейн (так как в чёрной металлургии вода используется для охлаждения агрегатов и, лишь незначительно, для влажной очистки от не уловленной пыли и смыва мелкодисперсных отходов);

– минимизируются в атмосферу (в доменном процессе невозможно, например, образование таких токсичных соединений как диоксины и фураны, оксидов азота, любых сложных углеводородных соединений и т.п.);

– доменный газ является ценным энергетическим сырьём и полностью утилизируется.

Вышеперечисленные обстоятельства не могли не остаться незамеченными специалистами, и в последнее десятилетие XX века были достигнуты значительные успехи в разработке технологий и совершенствовании технических возможностей доменной и ваграночной плавки с использованием самых разнообразных техногенных материалов. Схема применения техногенных материалов в шахтных печах приведена на рисунке 38.