Техногенное сырьё для производства строительных материалов. В 2 частях. Ч.2. Учебное пособие

21

Нарушение требований к изученности вещественного состава и свойств сырья для производства строительных материалов приводит иногда к большому материальному ущербу.

Так, в качестве заполнителя для любого бетона не должны использовать-

ся без специальных исследований эффузивные породы, содержащие аморфный кремнезем (риолиты, дациты и др.), а также соответствующие им по составу витро- и литокластические туфы. Аморфный кремнезем, реагируя со щелочами цемента, образует силикагели, адсорбирующие воду, что приводит к развитию интенсивных внутренних гидростатических напряжений и, как следствие, к

растрескиванию и разрушению зданий и сооружений. В практике известны случаи, когда использование в бетоне щебня, полученного дроблением пород рудных отвалов, содержавших пирит и пирротин, окисление которых дает сер-

ную кислоту, быстро приводило в аварийное состояние сооружения из такого бетона. В некоторых случаях здания оказывались непригодными для жилья из-

за повышенной радиоактивности щебня.

В последние годы большое опасение вызывает канцерогенность отходов обогащения асбеста, которые пока что широко применяются как железнодо-

рожный балласт и как строительный щебень. В кирпичном производстве ис-

пользуются шлаки оловянной отрасли цветной металлургии, но они токсичны и применение изготовленного на их основе кирпича должно быть строго ограни-

чено. Все это говорит о необходимости очень тщательного и многостороннего изучения качества горнопромышленных отходов при их утилизации в строи-

тельной индустрии.

За очень редким исключением, отходы можно применять в производстве строительных материалов только после соответствующей переработки (дробле-

ния, сушки, фракционирования и пр.). Например, хвосты обогащения фосфори-

тов Кингисеппского месторождения в Ленинградской области являются пре-

красным стекольным сырьем марки ВС-050-1, но только после дообогащения

(снижение содержания железа и других вредных примесей). Фосфогипсы тре-

22

буют сушки и грануляции. Отходы сухого обогащения некоторых магнетито-

вых руд Западной Сибири можно использовать лишь после доизвлечения ме-

таллов. Доменные и электротермофосфорные шлаки для их применения в це-

ментной промышленности должны быть подвергнуты грануляции.

Кроме того очень часто для того, чтобы отходы можно было бы утилизи-

ровать, приходится изменять способ разработки месторождения (например,

производить селективную выемку отдельных пород вскрыши), корректировать принятую технологию обогащения, изменять способ складирования и пр.

Таким образом, утилизация горнопромышленных отходов влечет за собой необходимость дополнительных материальных затрат, иногда довольно значи-

тельных, связанных с реорганизацией основного производства. Тем не менее,

практика работы многих предприятий, добывающих и перерабатывающих ми-

неральное сырье, показывает, что общая рентабельность при этом повышается.

Определение эффективности использования горнопромышленных отхо-

дов само по себе очень сложно, поскольку экономический эффект от вовлече-

ния в сферу производства техногенного сырья складывается из многих элемен-

тов, не все из которых могут получить должное выражение. Довольно легко рассчитывается та часть эффекта, которая достигается за счет распределения затрат на добычу, транспортировку, обогащение между основным и попутным производством, а не за счет совместного использования производственной ин-

фраструктуры. Реально также определить экономию, получаемую за счет усо-

вершенствования территориального размещения сырьевой базы строительных материалов и сокращения перевозок сырья и продукции. Можно рассчитать прибыль от уменьшения затрат на отвалообразование. Однако труднее выра-

зить в рублях эффект от повышения качества отдельных материалов и расши-

рения их ассортимента, экономии природного сырья, снижения загрязненности воздушной и водной среды и т.д. Тем не менее, в научных и общественно-

политических публикациях последних лет приводятся многочисленные данные об эффективности использования отходов. Так, например, Первоуральское ру-

23

доуправление 63 % прибыли имеет за счет попутного производства щебня, и

только 37 % за счет профильной продукции железа и ванадия. Первоначально основной продукцией предприятия был железорудный концентрат, содержа-

щий пятиокись ванадия. Щебень выпускался как отходы обогащения и не соот-

ветствовал требованиям ГОСТа.

В связи с резким спадом промышленного производства, начиная с 1992

года, спрос на концентрат упал. Встал вопрос о дальнейшей работе предпри-

ятия. Коллектив рудоуправления была разработал программу развития, в кото-

рой уделяли внимание комплексному использованию месторождения, где кро-

ме запасов сырой руды, имелось сырье для выпуска качественного щебня.

В 1996 году Территориальной комиссией по запасам полезных ископае-

мых утверждены запасы скальных вмещающих пород в качестве сырья для по-

лучения строительного щебня. Собственными силами рудоуправления провело реконструкцию существующих фабрик, что позволило наряду с извлечением концентрата из сырой руды, выпускать фракционный щебень отвечающий тре-

бованиям ГОСТа.

Учитывая потребности рынка, постоянно ведут работу по расширению ассортимента выпускаемой продукции. Освоен выпуск щебня для балластного слоя железнодорожных путей. Установка дополнительного оборудования по-

зволила наладить круглогодичное извлечение из отходов фабрик фракции 0–

10 мм щебень фракции 3–10 мм, пользующегося повышенным спросом потре-

бителей.

В настоящее время выпускается следующая продукция производственно-

технического назначения:

железо-ванадиевый концентрат с содержанием железа не менее 32 %,

используемый в качестве сырья в металлургическом производстве для получе-

ния высококачественных легированных сталей;

щебень из природного камня и плотных пород различных фракций,

применяемый при строительстве и ремонте автодорог и железных дорог, произ-

24

водстве товарного бетона и сборного железобетона, минераловатных и керами-

ческих изделий, каменном литье;

отходы обогащения используются для изготовления асфальтобетонных смесей различных марок.

Предприятие является одним из крупнейших поставщиков строительных материалов для дорожных строительных организаций. География поставок продукции охватывает 28 регионов РФ.

На предприятии стабилизирована производственная деятельность. За по-

следние годы производство товарной продукции увеличилось на 50 %, количе-

ство рабочих мест на 200 человек, значительно улучшилось финансовое со-

стояние, выросли инвестиции в производство.

Получение щебня из отходов на предприятиях цветной металлургии в Ка-

захстане в 2 раза рентабельнее, чем на специализированных карьерах.

Следует подчеркнуть, что при решении вопросов использования техно-

генного сырья должны быть обязательно учтены имеющиеся ресурсы природ-

ного сырья, количество запасов, их качество, технико-экономические показате-

ли добычи и переработки, дальность транспортировки и пр. В некоторых слу-

чаях природное сырье оказывается предпочтительнее, особенно когда его полу-

чают на крупном высокопроизводительном предприятии. Кроме того, отказ от специализированной добычи иногда может создать социальные проблемы. Та-

ким образом, каждый конкретный объект требует индивидуального подхода и тщательных экономических расчетов. При этом не исключатся возможность то-

го, что даже при отрицательном значении экономического эффекта от утилиза-

ции горнопромышленных отходов, ее надо осуществлять, когда она приводит к существенному улучшению состояния окружающей среды.

Отличительной особенностью последнего десятилетия в России является создание многочисленных малых предприятий различных форм собственности.

В регионах, где имеют широкое распространение различные виды горнопро-

мышленных отходов, наиболее рентабельны стали малые предприятия, перера-

25

батывающие техногенное сырье для получения широкой номенклатуры строительных материалов. Как показал опыт их работы, строительные материалы на основе отходов производства более конкурентоспособны по сравнению с получаемыми из природного сырья.

Внастоящее время металлургические шлаки и продукты их переработки используют в металлургии (железофлюс в агломерационном, доменном и сталеплавильном производствах; гранулированный доменный шлак и щебень из доменного шлака в качестве компонента шихты доменных печей при капитальных ремонтах; молотый гранулированный шлак при производстве экзотермических шлакообразующих смесей; шлаковое и шлакокаменное литье для футеровки шламопроводов; флюсующие добавки при производстве железо- и углесодержащих брикетов), строительстве дорожном, гидротехническом, производстве строительных материалов, в том числе облицовочных плит и тюбингов при строительстве метро, сельском хозяйстве, кораблестроении, коммунальном и газовом хозяйствах, атомной энергетике, химической промышленности, медицине и других отраслях промышленности.

ВОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК») проведены многочисленные исследования, результаты которых позволили эффективно использовать шлаки металлургического производства.

С 1994 года эксплуатируется установка фирмы «Трейдметинвест» по переработке конвертерных шлаков текущего производства и частично отвальных мартеновских шлаков, с 1995 – установка компании SKI (Финляндия) по переработке отвальных мартеновских шлаков. В настоящее время их перерабатывают на установках копрового цеха № 2, разработанных СП «Бимал» (Россия – США).

Для переработки текущих конвертерных и отвальных мартеновских шлаков в 1994 году на комбинате сдана в эксплуатацию стационарная установка АО «Хеккет Мультисерв. Россия» (мощностью до 2,2 млн т/год) и приобретены

вФинляндии две передвижных установки SKI.

26

Переработка шлака на стационарной установке АО «Хеккет Мультисерв.

Россия» включает в себя пять стадий грохочения (ГР), три стадии магнитной сепарации (СМС) и одну самоизмельчения.

В результате переработки шлака на установке получают следующие про-

дукты: магнитные фракции 0–10 мм, 10–50 мм и 50–350 мм, немагнитные фрак-

ции 0–10 мм, 10–50 мм и 50–350 мм, скрап фракции >350 мм и бойный скрап.

Передвижные установки фирмы SKI состоят из двух агрегатов: один

(SKI-1) предназначен для классификации шлака по фракциям и выделения из него магнитного продукта, другой (SKI-II) – только для отделения магнитного продукта.

Магнитный продукт фракции 0–10 мм, 0–15 мм и 10–15 мм сталеплавиль-

ных шлаков используют в агломерационном и доменном производствах в качест-

ве металлсодержащего компонента в количестве 35,6 кг/т агломерата и 2–12 кг/т

чугуна. Скрап фракции 50–350 мм применяют в металлошихте конвертерной плавки (10–15 % массы металлолома). Фракционированный щебень из шлаков по-

ступает на склад готовой продукции, откуда отгружается потребителям.

На заводе «Электросталь» с 1917 года в результате функционирования металлургического производства сформировался шлакоотвал, объем которого достиг 600–650 тыс. м3. При плотности 2000–2200 кг/м3 масса материала шла-

коотвала составила 1200–1300 тыс. т. Материал шлакоотвала представлял собой смесь шлака электросталеплавильного производства большого количества ма-

рок сталей и сплавов, металлического скрапа, мусора и отходов производства

(глина, отработанные огнеупоры, земля).

Особенность металлической фазы шлакоотвала завода «Электросталь» состоит в том, что примерно половина по массе относится к аустенитной груп-

пе и является немагнитной. Технологическая линия переработки материала шлакового отвала включает в себя погрузку шлака в самосвалы с одновремен-

ным отделением больших кусков скрапа. Шлак с отвала поступает на площадку

27

предварительной подготовки, где экскаватором выбирают куски скрапа массой более 10 кг, более мелкий скрап выбирается вручную.

В технологической линии переработки шлака предусмотрено отделение земли и мусора от шлака и скрапа. Для разделения материала мелких фракций

(0–5 мм, 5–10 мм) на металл и шлак был использован пневматический сепара-

тор. Шлак крупных фракций (10–28 мм, >28 мм) направляют на дополнитель-

ное дробление и последующее сепарирование.

С 1991 по 1999 гг. шлаковый отвал завода «Электросталь» был полностью переработан. При этом извлечено около 145 тыс. т металлической составляющей.

Шлаковый песок и щебень были успешно использованы при производстве шла-

кобетонных изделий с применением метода сухого прессования (фундаментные блоки, стеновые камни, тротуарная плитка, бордюрный камень).

От шлака в результате разработки шлакоотвала и переработки шлака бы-

ла освобождена территория около 50 тыс. м2. Процессы разработки техноген-

ных образований на всех стадиях связаны с обработкой и перемещением боль-

ших объемов отвальной массы, поэтому их эффективность и экономическая це-

лесообразность оправданы при максимальной механизации всех трудоемких работ. С точки зрения комплекса операций, входящих в производственные про-

цессы разработки техногенных месторождений, их принимают аналогичными открытым горным работам. Поэтому при организации разработки отвалов целе-

сообразно применять современные технологии и технологические процессы от-

крытых горных работ.

Практически все виды продукции при переработке отвальных шлаков на-

ходят применение в различных отраслях производства и успешно конкурируют с природными материалами. Массовыми видами являются щебень, песок и ще-

беночно-песчаные смеси для дорожного строительства, оборотный и магнит-

ный продукты и металлоконцентрат для доменного, сталеплавильного и литей-

ного производств, удобрения и мелиоранты для сельского хозяйства. В мень-

ших объемах из отвальных шлаков производятся абразивные материалы для

28

струйной обработки поверхностей, зернистые материалы для фильтров и за-

щитных покрытий для мягких кровельных материалов, наполнители и пигмен-

ты для шпатлевок, красок, мастик и линолеума и т.д.

Развитие рыночных отношений в России и странах ближнего зарубежья позволяют все больше и больше вовлекать текущие горнопромышленные отхо-

ды и техногенные месторождения в сферу промышленного производства. Сле-

дует отметить, что предприятия, использующие промышленные отходы, осво-

бождаются от ряда налоговых платежей.

1.2. Опыт использования техногенного сырья за рубежом

Вопросам утилизации отходов переработки минерального сырья во всем мире уделяют сейчас повышенное внимание. По ориентировочным оценкам, в

США ежегодно образуется около 4,5 млрд т твердых минеральных отходов, в

странах Европейского экономического сообщества более 2 млрд т, в Япо-

нии 1,3, в СНГ – 6 млрд т. Данные об утилизации вскрышных, вмещающих пород и хвостов обогащения в зарубежных странах имеют отрывочный харак-

тер, так как это – коммерческая тайна. Однако имеющаяся открытая информа-

ция позволяет сделать вывод о более высоком уровне их использования, чем в России и странах ближнего зарубежья.

Так, в Германии при переработке на щебень скальных пород в отвалы на-

правляют лишь глинистый шлам, количество которого не превышает 7–10 % от всей добываемой горной массы. Весь остальной материал применяют в строи-

тельстве.

Широко используют за рубежом отходы обогащения углей: в Великобри-

тании ежегодно 7–8 млн т (15 % годового выхода), в Германии 30 – тогда как в России их реализуется 800 тыс. т в год (1 % годового выхода). Основные на-

правления использования хвостов углеобогащения в развитых странах до-

рожное строительство и возведение дамб и плотин. Кроме того, отходы уголь-

29

ной промышленности (шахтные породы и особенно отходы углеобогащения)

успешно используются в Чехии, Словакии и Польше для закладки выработан-

ных пространств в шахтах.

Во Франции построен завод по производству легких заполнителей из угольных сланцев. Фирма «Бьюлайт корпорейшн» производит легкий заполни-

тель из каменноугольного сланца, являющегося отходом при добыче антрацита.

В Бельгии создано акционерное общество «Аграл» по производству из отходов углеобогащения аглопорита. В США фирма «Сирзэшен фид Продакт» имеет завод по производству из пустой породы обожженного кирпича.

Интересен опыт польско-венгерского акционерного общества «Холдекс»,

разработавшего технологию переработки отходов углеобогащения и угледобы-

чи. При этой технологии, применяющейся в Польше, Великобритании, Турции,

Бельгии и других странах мира, порода из отвалов перерабатывается в щековых дробилках, затем в тяжелых суспензиях в гидроциклонах из нее доизвлекается остаточный уголь, после чего отходы могут найти применение в качестве за-

кладочного материала, в производстве кирпича, пористых заполнителей, це-

мента. По этой технологии в Верхней Силезии ежегодно получают дополни-

тельно 400 тыс. т угля, 2,5 млн т материала для закладки старых выработок и

200 тыс. т сырья для получения цементного клинкера. В Венгрии применение этого сырья в качестве добавки в глиномассу при производстве кирпича позво-

лило сократить потребление топлива на кирпичных заводах на 33 %.

Во многих странах мира для производства стройматериалов весьма эф-

фективно утилизируются золошлаковые отходы. Уровень их использования достигает (в %): США 25, Великобритании 53, Франции 65, Германии

79. В России и странах ближнего зарубежья применяется пока лишь 15 % теку-

щего выхода, но с переходом на рыночные отношения хозяйствования эти по-

казатели имеют тенденцию к увеличению.

Проблемы применения отходов сжигания топлива приобретают в мире все большую актуальность в связи с наметившимся темпом перевода многих

30

производств с нефти на уголь. К настоящему времени мировой объем золошла-

ковых отходов достиг 500 млн т в год.

Имеющийся опыт свидетельствует о широких возможностях применения высоко кальциевых зол в сельском хозяйстве для известкования кислых почв в строительстве. Технология сжигания угля при высокой температуре, внедрен-

ная в США и других странах, а также сухой отбор золы, практикуемый в широ-

ких масштабах, обусловливают относительно стабильный состав зол. Подобные золы являются ценным сырьем для производства широкого ассортимента строительных материалов.

Структура использования в строительных целях отходов тепловой энер-

гетики США в настоящее время такова, %: введение золы в цемент и уплотнен-

ный бетон 39, дорожное строительство 41, ячеистый бетон, легкие заполни-

тели и другие области применения 20. В России и странах ближнего зарубе-

жья доля утилизации зол и шлаков в цементной промышленности и как напол-

нитель в бетоны несколько выше (67 %), а в дорожном строительстве – ниже

(14 %). В Великобритании в дорожном строительстве потребляется 43 % всего объема утилизируемых золошлаковых отходов, в Германии 17,5 %. В Германии с использованием золошлаковых материалов строится 80 % зданий, а темпы роста производства ячеистого зольного бетона составляют около 30 % в год. В

Бельгии производство портландцемента полностью заменено производством золопортландцемента. В отдельных случаях зола даже становится предметом экспорта. Так, Дания продает золу Норвегии.

В США подсчитано, что производство бетонных блоков с использовани-

ем заполнителей на основе золы-уноса ТЭС обходится примерно на 25 % де-

шевле, чем на традиционных заполнителях.

Анализ зарубежного опыта использования отходов тепловой энергетики в промышленности строительных материалов свидетельствует о том, что про-

слеживается четко выраженная тенденция роста объемов их утилизации при