Солевые алюминевые шлаки и решения проблемы их утилизации в условиях Росии

При частичной замене шамотного  заполнителя на алюминиевый шлак картина резко меняется. Потеря массы  бетона с добавкой шлака составила 16%, что превышает аналогичный показатель для бетона с шамотным заполнителем. Однако потеря массы в данном случае не приводит к снижению прочности бетона. Наоборот, наблюдается значительный рост прочности бетона.

Возможных причин повышения  прочности в данном случае несколько. Во-первых легкоплавкая составляющая шлака при нагревании взаимодействует с мелкодисперсным заполнителем, образуя плавленую связку между частицами бетона. При разложении гидратов образование плавленой связки эффективно компенсирует потерю прочности. Это подтверждают исследования структуры излома образцов. При повышении температуры прокалки плоскость разрушения бетона с добавкой шлака начинает распространяться и по армирующему заполнителю (крупные частицы шамота).

Это означает, что работа адгезии плавкой связки к частицам шамота первоначально меньше работы когезии. В результате разрушение сырого образца происходит по матрице, минуя армирующий наполнитель. При образовании плавкой связки работа адгезии увеличивается пропорционально температуре прокалки. В результате разрушение образца идет через все большее число частиц шамота, что приводит к росту прочности. При увеличении температуры прокалки со 100 до 850°С количество крупных частиц шамота в плоскости разрушения возрастает в  14 раз.

Еще один механизм формирования прочности бетона с добавкой шлака заключается в окислении металлического алюминия, содержащегося в шлаке. В результате образуется плавленая связка на основе оксида алюминия.

Обычный бетон плохо  переносит взаимодействие со шлаковыми расплавами. В результате взаимодействия в структуре бетона образуются значительные области взаимодействия со шлаком. В то же время, испытания бетона с добавлением дисперсного шлака показали, что такой бетон практически не взаимодействует с расплавом алюминиевого шлака.

Таким образом, разработан ряд технологических процессов  комплексного использования алюминиевых  шлаков. Прежде всего, шлаки используются как сырье для получения металла. Кроме того, алюминиевые шлаки  могут использоваться в качестве компонентов формовочных и стержневых смесей, а также огнеупорных жидкостекольных бетонов. Для снижения экологической опасности шлаков возможна замена части хлоридов на стеклянный бой.

2.5. Экономическая эффективность переработки солевых шлаков

Обеспечение экономической эффективности процесса переработки солевых шлаков является непростой задачей. Энергоемкость упаривания раствора солей сводит на нет все преимущества данной технологии, и преодолеть это препятствие можно только путем использования для этой цели теплоты отходящих газов плавильных печей. Но конструктивное решение этой проблемы достаточно сложное.

В настоящее время разработан ряд новых, более эффективных  вариантов выделения хлоридов калия  и натрия или других товарных продуктов  из растворов, полученных при выщелачивании солевых шлаков. Так, германская фирма «Metallwarenfabrik Stokach» (MST) разработала совместно с фирмой «Sulzez Escher Wiss» (EW) и внедрила в эксплуатацию установку для переработки солевых шлаков, на которой происходит регенерация солевого флюса и конденсата вторичного пара. Отличительные особенности этой установки - четыре ступени испарения в вакууме и использование центрифуги для отделения солей. Полученные соли имеют влажность менее 2 % и пригодны для повторного использования при переплавке алюминиевых отходов.

С целью дальнейшего  исследования возможных вариантов  регенерации солей из растворов, полученных при выщелачивании алюминиевых  шлаков, в Институте космических  исследований университета штата Теннеси (University of Tennessee Space Institute - UTSI, США) было изучено превращение растворов, насыщенных хлоридами, в продукт, содержащий карбонаты и бикарбонаты. Эта работа основана на идее рекарбонизации и дехлорирования широко известных и имеющихся в продаже слабоосновных анионообменных смол. Применяемая технология аналогична используемой для смягчения воды при удалении накипи в бойлерах. Процесс регенерации солей из алюминиевых шлаков по этому методу позволяет получать товарные продукты (соду и поташ) в сухом виде и раствор хлорида кальция, продажа которых может обеспечить получение около 74 долларов чистой прибыли на 1 т переработанного шлака.

Большой интерес вызывают также разработки американской компании «Alumitech», которая применила метод  электродиализа для повышения концентрации солевого раствора перед кристаллизацией оборотного флюса.

При этом важно отметить, что на создание новой технологии компания «Alumitech» получила государственный  грант в сумме 400 тысяч долларов.

Можно констатировать, что  новые методы безотходной переработки  солевых алюминиевых шлаков достаточно сложны. Для реализации любого из них необходимо построить целый завод со своей технологией, дорогостоящим оборудованием, автоматизированным управлением параметрами процесса. И для отдельных предприятий, перерабатывающих лом и отходы алюминия, при относительно малых объёмах шлакообразования (500 - 3000 тонн в год), приобретение современной установки по глубокой переработке шлаков вряд ли будет возможным и экономически оправданным. В связи с этим напрашивается вывод о необходимости создания в России крупных производств по централизованной переработке алюминиевых солевых шлаков, имеющих достаточно большую мощность (20 тысяч тонн в год и более).

Заключение

Учитывая исключительную важность данной проблемы, как в экологическом, так и в ресурсосберегающем аспектах, и основываясь на принципе социальной ответственности бизнеса, необходимо разработать и реализовать комплексную целевую программу формирования общероссийской системы переработки солевых шлаков. Данная программа может стать эффективным механизмом сотрудничества государства и бизнеса в решении серьезной экологической проблемы. И именно в этой области может быть успешно реализован принцип стимулирования развития безотходных технологий со стороны государства.

Реализация данной программы позволит использовать ее в качестве модельной для формирования ряда других экологически значимых программ переработки опасных отходов. Имея общегосударственный статус, данная программа, несомненно, могла бы стать реальным шагом к полноценному вхождению России в мировую экономическую систему.

ЛИТЕРАТУРА

1. Утилизация вторичных материальных ресурсов в металлургии/ Черепанов К.А., Черныш Г.И., Динельт В.М., Сухарев Ю.И. – М.: Металлургия, 1994. – 224с.

2. Переработка шлаков и безотходная технология в металлургии/ Панфилов М.И., Школьник Я.Ш., Оринский Н.В. и др. – М.: Металлургия, 1987. – 238с.

3. Ласкорин Б.Н., Чалов В.И. Безотходное  производство в металлургии. – М.: Металлургия, 1988. – 71с.

4.  Ляпкин А.А., Чуракова Н.С., Шпектор А.А. Комплексная переработка отходов литейного производства: Обзор. – М.: НИИмаш, 1983. – 56с.

5.  Бурцева Н.В. Утилизация токсичных отходов плавки алюминиевых сплавов // Тез. Докл. Молодеж. Науч. –техн. Конф. «24 Гагаринские чтения». – М: РГТУ – МАТИ, 1998. – ч.5 – с.54.

6. Иванов А.Н. Эколого-гигиеническая оценка полигона для захоронения промышленных отходов предприятия цветной металлургии по переработке вторичного сырья// Гигиена и санитария. 1993, № 8. – С. 21-24.

7.  Recycling salt-cake using a resin-based option / Sheth A.C. , Parks K.D., Parthasarathy S. // JOM: J. Miner., Metals and Mater. Soc. [J.Metals]. – 1996.-48, N8. – c. 32-37. – Англ. РЖ15Г, - 1997. N4. 4Г148.-с.20.

8.  Куценко С.А., Бурцева Н.В., Неженцев В.Ю., Пилюзин В.И., Спиридонов А.А. Разработка технологических процессов утилизации   промышленных и бытовых отходов и производства материалов на их основе// Материалы конференции «Реализация региональных научно-технических программ Центрально-Черноземного региона» - Воронеж: ВГТУ, 1996. – ч.2. – с. 164-168.

9.  Бурцева Н.В. Перспективные направления утилизации отвальных шлаков МЗАЛа и АО «ЦМиС»// Тез. Докл. 28 студ. науч. – конф. – Орел: ОрелГТУ, 1995. – с. 31-32.

10.  Process and plant for the processing of slag from aluminium scrap and waste melting, recovery of components thereof and treatment of gasses generated. – EP – 0379245-В1 (С22В7/04, С22В21/00). Publication: 06.04.1994.

11.  Бурцева Н.В., Неженцев В.Ю., Спиридонов А.А. О путях утилизации солевых отвальных алюмосодержащих шлаков// Сборник научных трудов ОрелГТУ N 10. – Орел: ОрелГТУ, 1996. – с. 125-128.

12.  Куценко С.А., Бурцева Н.В., Неженцев В.Ю., Пилюзин В.И., Спиридонов А.А. Комплексная переработка алюмосодержащих шлаков// Сборник научных трудов Орловской области. – Орел: ОрелГТУ, 1997. – вып. 3. – С.153-157.

13.  Куценко С.А., Бурцева Н.В., Неженцев В.Ю., Пилюзин В.И., Спиридонов А.А. Разработка высокорентабельной экологически чистой технологии утилизации алюмосодержащих шлаков// Тез. докл. Межд. Симп. «Техника и технология экологически чистых химических производств». – М.: МГАХМ, 1996. – С.13-14.

14.  Окунев В.М. Исследование и разработка технологии гидрометаллургической переработки солевых алюминиевых шлаков. Дисс… канд. техн. наук. – М.: «Гипроцветметобработка», 1979. – 164с.

15.  Бурцева Н.В., Неженцев В.Ю., Пилюзин В.И., Спиридонов А.А. К вопросу об утилизации отвальных солевых алюмосодержащих шлаков// Тез. докл. Межд. Научн.-техн. конф. «Молодая наука – третьему тысячелетию». – Наб Челны: Изд-во Камского политехнического института, 1996. – ч. 2-с. 107.

16.  Романков П.Г., Курочкина М.И. Экстрагирование из твердых материалов. – Л.: Химия, 1983. – 252с.

17.  Куценко С.А., Бурцева Н.В., Неженцев В.Ю. Водное выщелачивание солевых алюмосодержащих шлаков// Сборник научных трудов ученых Орловской области. – Орел: ОрелГТУ, 1998. – вып. 4. – с. 163-168.

18. Комплексная переработка и использование металлургических шлаков в строительстве / Горшков В.С., Александров С.Е., Иващенко С.И. и др. Под ред. Горшкова В.С. – М.: Стройиздат, 1985. – 272с.

19.  Долгарев А.В. Вторичные сырьевые ресурсы в производстве строительных материалов. – М.: Стройиздат, 1990. – 456с.

20.  Шутько А.П., Басов В.П. Использование алюминийсодержащих отходов промышленных производств. – Киев: Тэхника, 1989. – 112с.

21.  Шутько А.П. Комплексная переработка и использование алюминийсодержащих отходов промышленности: Автореферат дисс… д-ра хим. наук. – М.: МХТИ, 1986-26с.

22.  Курдюмова Л.Н., Кубаткина Н.В., Спиридонов А.А., Куценко С.А. Лабораторная установка для определения газообразующей способности солевых шлаков алюминиевого производства // Диагностика веществ, изделий и устройств: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. – Орел: ОрелГТУ, 1999. – С 59-60.

23.  Кубаткина Н.В., Курдюмова Л.Н., Куценко С.А. Области применения технического ГОХА из солевых алюмосодержащих шлаков // Тез. докл. 3 международный симпозиум молодых  ученых, аспирантов и студентов «Техника и технология экологически чистых производств». – М.: МГУИЭ, 1999. – С.38-39.

24. Бурцева Н.В., Куценко С.А. Эффективный элюент из солевых алюмосодержащих шлаков// Тез. докл. Второй международной симпозиум молодых ученых, аспирантов и студентов «Техника и технология экологически чистых производств». – М.: МГУИЭ, 1998. – С.15-17.

25. Курдюмова Л.Н., Кубаткина Н.В., Куценко С.А. О возможности использования солевых алюмосодержащих шлаков для производства строительных материалов// Тез. докл. 3 международный симпозиум молодых ученых, аспирантов и студентов «Техника и технология экологически чистых производств». – М.: МГУИЭ, 1999. – С.40-41.

26. Кубаткина  Н.В., Курдюмова Л.Н., Куценко С.А., Спиридонов А.А. «Технологическая схема комплексной переработки солевых алюмосодержащих шлаков»// Энергосбережение, экология и безопасность: Межд. научн. – техн. конф.: Тез. докл.: Тула: ТулГТУ, 1999. – С.37-38.

27. Материалы 138 международной конференции TMS 2009. Февраль 2009 года, Сан-Франциско.