книги / Снижение экологической нагрузки при обращении со шлаками черной металлургии

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»

СНИЖЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ

ПРИ ОБРАЩЕНИИ СО ШЛАКАМИ

ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

Издательство Пермского государственного технического университета

2008

УДК 504.054 П 88

Рецензенты:

канд. техн. наук, профессор А.Н. Шихов (Пермская государственная сельскохозяйственная академия);

д-р техн. наук, профессор И.С. Глушанкова (Пермский государственный технический университет)

П 88 Снижение экологической нагрузки при обращении со шлаками черной металлургии: монография / К.Г. Пугин, Я.И. Вайсман, Б.С. Юшков, Н.Г. Максимович. – Перм. гос.

техн. ун-т. – Пермь, 2008. – 316 с.

ISBN 978-5-398-00300-0

Рассмотрены вопросы снижения экологической нагрузки при обращении со шлаками черной металлургии на основе анализа их состава, строения и физико-химических свойств. Изложены основные технологические схемы образования шлаков черной металлургии. Приведены данные об основных направлениях использования шлаковой продукции в промышленности и воздействия шлаков на окружающую природную среду.

Предназначена для инженерно-технических работников металлургической промышленности, специалистов промышленности строительных материалов, сотрудников научно-исследовательских и проектных институтов, занимающихся разработкой и проектированием природоохранных объектов.

УДК 504.054

ISBN 978-5-398-00300-0 © ГОУ ВПО

«Пермский государственный технический университет», 2008

СОДЕРЖАНИЕ

4

5

ВВЕДЕНИЕ

При выплавке чугуна и стали образуется большое количество технологических отходов. Из них до 80 % приходится на шлаки, которые образуются из пустой породы железорудных материалов, флюсов, золы топлива, а также продуктов окисления металла и примесей. Наибольшим является выход доменных шлаков – на 1 т чугуна он составляет 0,5–0,7 т, наименьшим – при выплавке стали в электропечах – 0,1–0,04 т.

В шлаковых отвалах РФ накоплено более 350 млн т шлаков доменного, сталеплавильного, литейного и ферросплавного производств. Площади, занятые отвалами, превышают 2,2 тыс. га. Как правило, отвалы, находясь в городской черте, вблизи металлургических заводов, нарушают ландшафт, занимают земельные угодья, ухудшают экологическую обстановку.

Шлаковые отвалы оказывают существенное негативное влияние на состояние близлежащих рек и других водных объектов. Это проявляется в первую очередь в виде изменения химического состава воды и донных отложений.

Черная металлургия является одной из основных отраслей промышленности России по валовому выбросу загрязняющих веществ в атмосферу. При производстве в воздух выбрасываются пыль, диоксид серы, оксид углерода, оксиды железа, марганец, кальций, алюминий, кремний, титан, ванадий, фосфор, натрий, калий и другие активные химические элементы. В результате этого предприятия черной металлургии формируют высокую экологическую нагрузку на объекты окружающей среды, что не отвечает принципам устойчивого развития и требует корректировки

втехнологиях производства металла и соблюдения экологических требований при использовании шлаков, а также размещения

вокружающей среде неутилизированных остатков.

6

Металлургические шлаки по своим физико-механическим свойствам не только не уступают природным материалам, использующимся в строительстве, но в ряде случаев превосходят по своим характеристикам. В настоящее время применение металлургических шлаков стало одним из основных направлений утилизации шлаков. При этом решаются экологические и экономические задачи для металлургии: шлак продается как сырье, а не размещается в техногенных отвалах.

Сегодня, учитывая современные экологические требования, необходимо решение задач по внедрению технологических процессов, нейтрализующих неблагоприятное влияние шлаков на окружающую среду за счет получения шлаков с заданными свойствами (для полного их использования в промышленности); минимизации выхода шлаков; исключения негативного воздействия неутилизированных шлаков при их размещении в окружающей среде. Решение этих задач возможно при условии комплексного подхода к оценке с экологических позиций технологических схем образования шлаков черной металлургии; химико-физических и минералогических свойств шлаков; воздействия шлаков на окружающую среду; использования шлаков в промышленности в качестве сырья; применения принципов рационального природопользования и концепции устойчивого развития для металлургической отрасли.

В настоящей монографии на основе анализа современных научно-технических разработок и обобщения опыта передовых предприятий по переработке шлаков предпринята попытка оценить сложившуюся систему обращения с ранее накопленными и вновь образующимися шлаками в черной металлургии и разработать рекомендации по их использованию с соблюдением принципов экологической безопасности в рамках устойчивого развития.

7

1. ИСТОРИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ

РАЗВИТИЯ МЕТАЛЛУРГИИ

1.1. История развития черной металлургии

Человек научился добывать и использовать металлы несколько тысячелетий назад. В отдаленные времена было известно лишь несколько металлов. Это золото, медь, серебро, олово, свинец, железо, ртуть, сурьма. В настоящее время из известных элементов периодической системы Менделеева свыше 75 % составляют металлы.

Исторически сложилась промышленная классификация металлов, по которым все металлы делятся на две основные группы:

−черные;

−цветные.

Кчерным металлам относятся железо и его сплавы (чугун, сталь, ферросплавы), хром, марганец.

Группа цветных металлов объединяет все остальные металлы и, в свою очередь, подразделяется на несколько подгрупп:

−легкие (алюминий, магний и др.);

−тяжелые (медь, никель, свинец, цинк и др.);

−малыецветные(кобальт, молибден, вольфрам, кадмийидр.);

−благородные (золото, серебро, платина и др.);

−редкие (лантан, церий, неодим и др.);

−радиоактивные (уран, плутоний и др.).

Среди металлов железо по своему значению занимает особое место. Производство черных металлов в значительной степени определяет уровень технического развития, являясь основой современной техники и культуры.

8

Широкому применению в самых разнообразных областях техники черные металлы обязаны своим высоким механическим и физическим свойствам. Преимущественному применению черных металлов способствовало также большое распространение в природе железных руд и сравнительная простота производства чугуна и стали.

Железо было известно человеку еще до нашей эры. Вначале железо получали в обычных кострах, а затем в специально устроенных плавильных ямах – сыродутных горнах. В горн, выложенный из камня, загружали руду и древесный уголь. Воздух (кислород), необходимый для горения угля, подавался дутьем снизу горна при помощи мехов. Образующиеся газы (CO) восстанавливали оксиды железа. Из-за невысокой температуры в таких горнах можно было получать только малоуглеродистое железо, притом в тестообразном состоянии.

Увеличение высоты домницы и интенсивная подача дутья привели к повышению температуры и более интенсивному развитию процессов восстановления и науглероживания металла. В домницах получали жидкое углеродистое железо с примесями марганца и кремния, то есть чугун.

Сначала чугун был нежелательным продуктом, так как его не умели использовать для изготовления изделий и орудий труда. Позднее был найден способ передела чугуна в ковкое железо. Способ получил название кричного процесса: чугун переплавляли в кричном горне. В разогретый горн на раскаленный древесный уголь загружали чугун и высокожелезистые шлаки. Плавясь и стекая вниз, чугун подвергался окислительному воздействию дутья и железистого шлака. Происходило окисление его примесей (кремния, марганца, углерода), и чугун превращался в малоуглеродистое ковкое железо. Кричный передел чугуна давал возможность получать железо более высокого качества, чем сыродутное. При этом оказалось целесообразным сначала выплавлять из руд чугун, а затем перерабатывать его в ковкое железо.

9

Со временем конструкция домниц изменялась, увеличивались высота и поперечное сечение, улучшался профиль, и домница превратилась в доменную печь. В дальнейшем прогресс доменного процесса шел в направлении увеличения объема печей, перехода к более рациональному профилю, совершенствования конструкции доменных печей, механизации и автоматизации процесса. В 1856 г. Г. Бессемером был предложен способ передела жидкого чугуна путем продувки его воздухом в конвертере. Этот способ положил начало высокопроизводительному современному кислородно-конвертерному процессу. В 1864 г. отец и сын Мартены разработали способ производства стали в регенеративной отражательной печи, получивший название мартеновского процесса и позволивший решить проблему переработки стального лома. В конце XIX в. возникла новая отрасль металлургии – производство качественных сталей в электрических печах.

По данным немецкого металлурга Германа, общая производительность железоделательных заводов России в 1674 г. достигала 150 тыс. пудов. В XVIII в., после преобразований Петра I, Россия вышла на первое место в мире по выплавке чугуна, давая свыше трети мирового его производства. Значительную часть чугуна и железа (30–80 %) Россия вывозила за границу, главным образом в Англию, где недостаток древесины резко ограничивал выплавку чугуна. Неисчерпаемые запасы древесного топлива и дешевый, в значительной части крепостной труд составляли в то время преимущества России в производстве черных металлов. Главным металлургическим районом был Урал.

При Петре I Урал становится ведущим горнометаллургическим районом России. Один за другим на Урале возникают крупные по тому времени железоделательные заводы – Каменский, Невьянский, Уктусский, Алапаевский и др. Одновременно продолжается расширение и строительство предприятий в центральной части страны, близ Москвы, Липецка, Воронежа, в северо-

10