Лекция 11. Комплексная переработка руд. Комплексное использование сырья утилизация отходов в цветной металлургии

Комплексное использование сырья, наиболее полное, экономически оправданное использование всех полезных компонентов, содержащихся в сырье, а также в отходах производства. Почти все виды сырья минерального и органического происхождения содержат ряд ценных компонентов. Полнота их извлечения и использования зависит от потребности в них и уровня развития техники. Комплексное использование сырья повышает эффективность производства, обеспечивает увеличение объёма и ассортимента продукции, снижение её себестоимости и сокращение затрат на создание сырьевых баз, предупреждает загрязнение окружающей среды производственными отходами.  Пример: Отходы производства – это неиспользованная или недоиспользованная по тем или иным причинам часть сырья. Поэтому проблема комплексного использования сырья имеет большое значение, как с точки зрения экологии, так и с точки зрения экономики.  Необходимость комплексного использования природных ресурсов диктуется, с одной стороны, все увеличивающимися темпами роста объемов промышленных производств, загрязняющих окружающую среду, а с другой – необходимостью экономного их расходования, поскольку запасы основного минерального сырья ограничены, а цены на него непрерывно возрастают. С 1992 по 1996 гг. цены почти на все сырьевые материалы выросли более чем в 2 раза. В свою очередь рост цен ускоряет внедрение и разработку малоотходных и безотходных производств, поскольку расширяются пределы их экономической рентабельности. 

Источниками отходов являются:  · примеси в сырье, т. е. компоненты, которые не используются в данном процессе для получения готового продукта;  · неполнота протекания процесса, остаток полезного продукта в сырье;  · побочные химические реакции, приводящие к образованию неиспользуемых веществ. 

Рациональное комплексное использование сырья позволяет уменьшить количество недоиспользованных веществ, увеличить ассортимент готовых продуктов, выпускать новые продукты из той части сырья, которая раньше уходила в отходы.  Характерен пример цветной металлургии, где постоянно растет количество элементов, извлекаемых из минерального сырья. Из 90 элементов, обнаруженных в биосфере Земли, предприятиями цветной металлургии извлекались: 

Год | Число элементов  1913 | 15  1930 | 20  1940 | 24  1960 | 63  1970 | 74  1980 | 82  1990 | 88

Из медьсодержащих руд, в состав которых входят 25 элементов, извлекается 21 элемент. Из полиметаллического сырья извлекают 18 элементов и получают более 40 видов товарной продукции. Доля полезных элементов, извлекаемых из природного сырья в цветной металлургии, – одна из самых высоких и достигает 80%. Повышение выхода продукта на каждой стадии процесса приводит к уменьшению количества отходов и увеличению комплексного использования сырья. Радикальное средство против протекания побочных реакций – изменение технологии.

Утилизация отходов металлургического комплекса

Основную массу отходов этого комплекса представляют вскрышные и вмещающие породы добычи руд, отходы их обогащения, металлургические шлаки.

Хвостовое хозяйство - один из самых дорогостоящих объектов обогатительного комплекса. Частицы хвостов имеют угловатую не окатанную и неправильную форму. Кроме пустой породы, в хвостах присутствуют частицы железосодержащих минералов в количестве 15-20%. Хвосты представляют собой несвязанный материал, средневзвешенный диаметр частиц колеблется в пределах 0,05 - 0,2 мм, преобладают частицы размером 0,07-0,005 мм. Истинная плотность колеблется в пределах 2600-4000 кг/м3, средняя - 3000 кг/м3. Удаляют хвосты в хвостохранилища гидравлическим способом в виде пульпы с Т : Ж, равным от 1 : 10 до 1 : 30.

При сбросе пульпы в хвостохранилище на надводных пляжах происходит фракционирование хвостов по плотности и крупности. В зонах, близких к выпуску, откладываются наиболее крупные и тяжелые частицы, содержание железа в этих зонах может превышать 30%. По сути хвостохранилища представляют собой техногенные месторождения полезных ископаемых, относительно которых будет производиться с помощью более прогрессивных технологий обогащения. Технология сброса пульпы должна формировать зоны с повышенным содержанием железа.

Хвостохранилища занимают огромные площади, подтапливают прилегающие территории, загрязняют подземные воды. Подсыхающие надводные пляжи создают интенсивное пыление.

Основным направлением утилизации хвостов обогащения является использование их в качестве вторичного сырья для производства строительных материалов. Пески из отходов обогащения могут использоваться в кладочных и штукатурных растворах, для приготовления бетонов, получения силикатной кирпича, устройства искусственных оснований под дороги, здания, сооружения, для обратных засыпок, а также в качестве сырья для получения бесклинкерного шлакоцемента (совместный помол песка с доменными шлаками).

Металлургические шлаки образуются при выплавке металлов и представляют собой продукты высокотемпературного взаимодействия руды, пустой породы, флюсов, топлива. Их состав зависит от этих компонентов, вида выплавляемого металла и особенностей металлургического процесса.

Металлургические шлаки подразделяют на шлаки черной и цветной металлургии. В зависимости от характера процесса и типа печей шлаки черно] металлургии делят на доменные, сталеплавильные (мартеновские, конверторные, электроплавильные), ферросплавов, ваграночные. Выход доменных шлаков на 1 т чугуна составляет 0,6-0,7 т; при выплавке 1 т стали выход шлаков составляет 0,1- 0,3 т. В цветной металлургии выход шлаков зависит от содержания извлекаемого металла в исходной шихте и может достигать 100--200 т на 1 т металле

Химический состав доменных шлаков: СаО 29-30%, MgO 0-18%, А12С 5-23% и SiO2 30-40%. В небольшом количестве в них содержатся оксиды железа 0,2-0,6% и марганца 0,3-1%, а также сера 0,5-3,1%.

Сталеплавильные шлаки характеризуются более высоким содержанием оксидов железа (до 20%) и марганца (до 10%). Так же, как и топливные шлаки, металлургические делят на кислые и основные в зависимости от модуля основной. Оксиды, входящие в шлаки, образуют разнообразные минералы, такие как силикаты, алюмосиликаты, ферриты и др.

Шлаки имеют высокую истинную плотность - среднее значение 2900-3000 кг/м3; плотность куска - 2200-2800 кг/м3, большую пористость, высокую морозостойкость, низкую избираемость.

Наиболее распространенным способом переработки шлаков является грануляция - резкое охлаждение водой, паром или воздухом. Грануляции подвергают в основном доменные шлаки. Утилизация доменных шлаков составляет около 60%, сталеплавильных - около 30%.

Из металлургических шлаков получают шлаковый щебень путем дробления отвальных металлургических шлаков или по специальной технологии изготавливают литой щебень. При производстве этого материала огненно-жидкий шлаковый расплав из шлаковозных ковшей сливается слоями толщиной 250-500 мм на специальные литейные площадки или траншеи. Через 2-3 часа он кристаллизуется на открытом воздухе, затем его охлаждают водой, что приводит к развитию трещин. Шлаковые массивы разрабатывают экскаваторами с последующим дроблением и грохочением.

Необходимым условием получения щебня из металлургических шлаком является устойчивость их к распаду. Шлаки, пролежавшие 3-5 месяцев и отвалах, как правило, имеют стабильный состав.

Литой шлаковый щебень характеризуется высокими морозостойкостью и жаростойкостью, сопротивлением к истиранию.

В строительстве применяются разные типы бетонов с вяжущими и заполнителями на основе металлургических шлаков. Для особо тяжелых и тяжелых бетонов (плотностью 2600-1800 кг/м3) в качестве крупных заполнителей используют литой или отвальный щебень, в качестве мелкого заполнителя - гранулированный доменный шлак. При производстве легких шлаковых бетонов (плотностью менее 1800 кг/м3) в качестве заполнителей используют щебень на основе шлаковой пемзы. Шлаковую пемзу получают вспучиванием шлакового расплава при быстром охлаждении водой, воздухом, а также при воздействии минеральных газообразователей. Затем путем дробления и грохочения получают фракционный щебень шлаковый щебень применяют также в дорожном строительстве для устройства оснований и асфальтобетонных покрытий.

Металлургические шлаки используют для производства шлаковой ваты Шлаковую вату применяют как изоляционный материал, а с помощью, раз личных органических и неорганических вяжущих из нее изготавливают разнообразные теплоизоляционные изделия.

Из расплавленных металлургических шлаков отливают камни для мощения дорог и полов промышленных зданий, бордюрный камень, противокоррозионные плитки, трубы и другие изделия. По износостойкости, жаростойкости и ряду других свойств шлаковое литье превосходит железобетон и сталь. Металлургические шлаки используют для производства шлакоситалловых изделий. Производство их заключается в варке шлаковых стекол, формовании и последующей их кристаллизации. Шихта для получения стекол состоит из шлака, песка, щелочесодержащих и других добавок. Шлакоситаллы характеризуются высокими физико-механическими свойствами. Прочность их близка к прочности чугуна и стали, но шлакоситаллы в три раза легче. Они легко обрабатываются, шлифуются, режутся, сверлятся. Шлакоситаллы широко применяются в строительстве. Плитами из листового шлакоситала облицовывают цоколи и фасады зданий, отделывают внутренние стены перегородки, выполняют из них ограждения балконов, кровли, лестничные марши, подоконники, полы промышленных зданий, изготавливают трубы, высоковольтные изоляторы и другие изделия.

При производстве ферросплавов образуются шлаки, содержащие до 15 20% металлических включений. Ферросплавные шлаки перерабатывают и щебень, песок, муку используют при выплавке стали, ферросплавов, в цементной промышленности, в производстве шлакового литья, шлакоситаллы и других строительных материалов.

Шлаки цветной металлургии отличаются большим разнообразием. Выход шлаков цветной металлургии на единицу выплавленного металла значительно больше, чем шлаков черной металлургии. Так, на 1 т никеля образует до 150 т шлака, на 1 т меди -- 10--30 т. В шлаках содержится до 60% оксид железа, оксиды кремния, алюминии, кальция, магния, а также значительно количество таких пенных компоненты, как медь, кобальт, цинк, свинец, кадмий, редкие металлы. Перспективным направлением их использования является комплексная переработка, включающая предварительное извлечение цветных и редких металлов, железа с последующим использованием силикатного остатка для производства строительных материалов аналогично шлакам черной металлургии.

В черной и цветной металлургии образуется огромное количество пильней и шламов, значительное количество их накопилось также в шлама накопителях и отвалах. Эти отходы содержат в своем составе соединения железа, магния, марганца, кальция, цинка, свинца, серы и других элементов.

Пыли и шламы металлургических производств можно разделить на две группы: к первой группе относятся продукты очистки дымовых газов. Железосодержащие пыли, и шламы образуются при очистке газов доменного, агломерационного и сталеплавильного производств. Концентрация железа в них -- в пределах 35--55%, в некоторых случаях она превышает 68%, т.е. превышает удержание железа в железорудном концентрате. На старых заводах железосодержащие пыли, и шламы сбрасывают в отвалы и шлам накопители из-за отсутствия или недостатка оборудования по их подготовке к использованию, на новых заводах эти пыли и шламы используют в технологических процессах путем добавки к агломерационной шихте. При использовании шламы предварительно обезвоживают до влажности 8-9%, из них удаляют вредные примеси, такие как сера, цинк, свинец, щелочные металлы, а затем механическим или термическим способом при добавлении вяжущих формуют куски определенных размеров.

Другим способом утилизации железосодержащей пыли является включение их в состав шихты при производстве цементов, красок, красителей.

В настоящее время разработаны два направления утилизации графитовой пыли. Для предприятий, где содержание в пыли графита особо высокое (60-90%), предполагается получать товарный графит на самих производствах. Процесс этот включает такие операции, как измельчение, флотационное обогащение по стандартным схемам. В дальнейшем концентрат подвергается химической доводке. Полученный продукт предполагается использовать на самом предприятии. Другое направление утилизации состоит в обогащении графитовой пыли на металлургических предприятиях и последующей переработки полученного концентрата на специализированных графитовых завода: совместно с ископаемой графитовой рудой. Графит, изготовленный при совместной переработке, не уступает по качеству графиту, изготовленному из одной руды, а иногда превосходит последний. Графитовая пыль, содержащая в своем составе менее 60% графита, может быть использована для приготовления теплоизоляционных смесей в литейном производстве.

Серосодержащие шламы образуются при очистке газов агломерационных производств от оксидов серы с помощью известняковых суспензий. Такие же шламы образуются при очистке газов от оксидов серы на ТЭЦ и других производствах. В результате очистки образуются плохо растворимый в воде сульфит кальция, хорошо растворимый сульфат кальция, а также в небольшом количестве хорошо растворимые бисульфит кальция и гипс. Основная часть этих шламов поступает в шламохранилища и не используется.

В настоящее время разработаны рекомендации по утилизации шлама сероочистки. Для использования в цементной промышленности рекомендуется их сначала подвергнуть обжигу при температуре 1100-1150°С, что позволит перевести часть серы из шлама в диоксид серы, а затем использовать для производства серной кислоты. Далее сухой шлам можно использовать как добавку к шихте при производстве цемента. Другим направлением утилизации серосодержащих шламов является применение их в сельском хозяйстве качестве мелиоратор для кислых, оподзоленных и солонцеватых почв. Шлам является дополнительным источником серы, кальция, позволяет нейтрализовать повышенную кислотность почв.

Образующийся при очистке сточных вод трубопрокатного производства шлам содержит окалину и масла. В процессе очистки в первичных отстойниках отделяется крупная окалина, которая периодически извлекается из отстойника и утилизируется в качестве добавки к агломерационной шихте. Во вторичных отстойниках улавливается мелкая окалина и масло продукты, эти продукты ухудшают прочность гранул шихты, снижают ее проницаемость. Полому шихту предварительно обрабатывают известняком или шлаками других металлургических производств, а также используют в агломерационном или сталеплавильном производствах. Другим способом подготовки замасленной окалины к утилизации является обработка ее жидким сталеплавильным шлаком. Обогащенный окалиной застывший шлак является ценным металлургическим сырьем.

Согласно "Региональной стратегии охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов в странах - членах Европейской экономической комиссии ООН на период до 2000 года", принятой ООН в 1988г., накопление отходов, токсичных и опасных химических веществ относится к числу наиболее критических проблем, вызывающих беспокойство. В соответствии с опросом общественного мнения, проведенного в 1989 г. для Национальной Ассоциации управления твердыми отходами США, проблема размещения отходов занимает третье место в списке "экстремально серьезных" проблем - после улучшения общественного образования и обеспечения недорогого жилья.