Диверсификация производства: использование отходов производства вторичного алюминия вдоменной печи при выплавке глиноземистых шлаков
Пономарева Ольга Станиславовна, кандидат педагогических наук, доцент;
Махоткина Елена Станиславовна, кандидат технических наук, доцент
Магнитогорский государственный технический университет имени Г. И. Носова
В статье рассмотрены вопросы использования отходов вторичного алюминия в доменной печи при выплавке глиноземистых шлаков. Дана характеристика глиноземистого цемента и область его применения. Рассмотрена экологическая и экономическая оценка переработки отходов вторичного алюминия.
Ключевые слова: глиноземистые шлаки, доменная печь, диверсификация производства, отходы вторичного алюминия
В современных экономических условия эффективность деятельности предприятия зависит от способности адаптироваться к изменениям во внешней среде. Для повышения конкурентоспособности необходимо предусматривать и изменять структуру производства, разрабатывать и внедрять в производство новые виды продукции и технологии, правильно определять направления инвестиций, расширять отраслевой диапазон деятельности предприятия для вхождения его в новые секторы рынка [1].
Развитие алюминиевой отрасли на современном этапе напрямую связано с инновационными технологиями, направленными на переработку вторичных ресурсов и техногенных отходов (рис. 1).
Рис. 1. Мировое производство алюминия и вторичного алюминия
Реализация технических решений, направленных на снижение материальных и трудовых затрат в действующем производстве, эффективное вовлечение в переработку тонкодиспертных отходов, повысит конкурентоспособность, экономическую привлекательность и экологическую безопасность промышленных предприятий.
На основных алюминиевых заводах и в производстве вторичного алюминия ежегодно образуется ~ 3,5*1О6 т шлаков [2]. Только в России при плавке вторичного алюминия образуется 300–400 тыс. т шлаков в год. Эти шлаки перерабатываются с целью извлечения металлического алюминия. При этом остаются тонкодисперсные отходы, которые складируются в отвалы из-за отсутствия рациональной технологии утилизации. Таких отходов только на Урале по официальной статистике скопилось почти 2,5 млн. т. Тонкодисперсные частицы под воздействием атмосферных осадков быстро разлагаются, выделяя токсичные газы и образуя соли, которые, растворяясь, загрязняют почву, поверхностные и подземные воды. Мелкие частицы легко переносятся ветром на большие расстояния, загрязняя атмосферу. Это наносит экологический вред окружающей среде и экономический ущерб России за счет отчуждения больших площадей и потерь ценного минерального сырья [3].
В погоне за повышением рентабельности производства на второй план уходят вопросы, связанные с негативным воздействием алюминиевого производства на окружающую среду, поскольку решение данных вопросов связано с финансовыми и материальными издержками [3]. В такой ситуации важной задачей промышленности является использование вторичных ресурсов и комплексная переработка отходов. Вторичная переработка позволяет не только увеличивать коэффициент использования сырьевых ресурсов, но и существенно сократить загрязнение окружающей среды.
Выделение алюминия из боксита очень энергоемкое производство. При вторичной переработки алюминия энергозатраты в 20 раз меньше. Отходы производства вторичного алюминия содержат 50–60 % оксида алюминия. Авторами предлагается для утилизации отходов вторичного алюминия вводить их в состав материалов плавки при производстве глиноземистых шлаков (из бокситов) доменным способом. Глиноземистые шлаки являются основным сырьем для получения цемента с особыми свойствами.
К особым свойствам глиноземистого цемента относятся [4]:
− быстрое нарастание прочности в раннем возрасте;
− при твердении бетона на глиноземистом цементе выделяется большое количество тепла, что позволяет использовать эти бетоны при отрицательных температурах до -10 градусов без подогрева;
− глиноземистый цемент имеет повышенную плотность цементного камня, что определяет большую устойчивость бетона против всех видов агрессивных жидкостей и газов по сравнению с бетоном на портландцементе;
Область применения глиноземистого цемента:
− для изготовления бетонных и железобетонных сооружений, когда расчетная прочность бетона должна быть достигнута в течение 1-х, 2-х, или 7 суток.
− для строительства морских и подземных сооружений, где требуется повышенная сульфатостойкость.
− для тампонирования холодных нефтяных скважин, тампонирования трещин в породах при большом дебите воды.
− для заделки пробоин в судах морского транспорта.
− для быстрого устройства фундаментов под машины, заливки анкерных болтов, восстановления поврежденных зданий и мостов.
− для изготовления сборных железобетонных изделий на заводах ЖБИ и строительных площадках, где глиноземистый цемент играет роль ускорителя твердения бетона.
− для изготовления емкостей и других сооружений, где глиноземистый цемент придает повышенную стойкость против органических кислот, соединений серы, серной кислоты, молочной кислоты, соляного раствора, крахмала.
− для изготовления огнеупорных бетонов и штучных изделий с огнеупорностью до 1700 гр. C.
Важнейшим глиноземсодержащим сырьевым компонентом в производстве глиноземистого шлака (цемента) являются бокситы — алюминиевые руды, состоящие из коллоидных минеральных частиц. Общие запасы бокситов оцениваются в 70 млрд. т. Годовая добыча бокситов в России в конце ХХ в. составляла 4 млн. т и только 5 % их объема используют для производства электрокорунда, высокоглиноземистых огнеупоров, глиноземистого цемента, синтетических шлаков и продуктов химической промышленности
Высокоглиноземистые шлаки должны соответствовать следующим требованиям: иметь состав, обеспечивающий ровный ход доменной печи; содержать Al2O3 не менее 37 %, а кремнезема не более 10 %. Качество шлака как исходного сырья для приготовления цемента определяется его химическим составом и кристаллической структурой. Основные компоненты глиноземистого шлака, полученного способом доменной плавки боксита, а также химический состав доменного шлака представлены на рис. 2.
Рис. 2. Химические составы глиноземистого (бокситного) и доменного шлаков
С целью определения технико-экономических показателей доменной плавки бокситов с использованием дополнительных алюмосодержащих экзотермических материалов авторами были проведены промышленные эксперименты. Нефракционированные ОПВА были поставлены на Пашийский металлургическо-цементный завод (ПМЦЗ) с Сухоложского завода вторичных цветных металлов (СЭВДМ) в количестве 2-х вагонов (100–120 т). Примерно 20 % отходов находились в виде пирамид с размерами основания 40,0×40,0 мм и высотой 40,0 мм. Остальная часть представляла собой порошок крупностью до 3 мм, и содержала небольшое количество железного и алюминиевого скрапа [5]. Зависимость выхода шлака с подачи от содержания ОПВА представлена на рис. 3.
Рис. 3. Зависимость выхода шлака с подачи от содержания ОПВА [4]
Промышленные эксперименты показали, что отходы производства вторичного алюминия (ОПВА) могут быть успешно использованы в качестве глиноземсодержащего сырья при производстве глиноземистых шлаков доменным способом. Термогравиметрические исследования показали, что в пирометаллургических процессах вредные компоненты ОПВА (хлориды) в полном объеме будут переходить в газовую фазу, т. е. не оказывать влияния на состав конечного шлака. Проведенные на Пашийском ЦМЗ опытные плавки показали, что применение ОПВА в качестве компонента шихты приводит к увеличению содержания в глиноземистом шлаке оксида алюминия с 44,6 до 47,3 % [3, 5].
Применение ОПВА в количестве 8–17,6 % от неметаллической части шихты снижает расход кокса на процесс от 6 до 10 %, что ведет к снижению себестоимости глиноземистого цемента. Низкоуглеродное развитие является важным инструментом перехода экономики на наилучшие технологии и повышения эффективности производства, в частности, металлургического.
Литература:
- Добрянская Н. А., Попович В. В. Диверсификация производства как фактор развития регионального продовольственного рынка // Молодой ученый. — 2013. — № 8. — С. 188–190.
- Money in dross the black and white issue// Aluminium today. The international journal of aluminium production and processing. – April/May 1999. – p. 22–24.
- Махоткина Е. С., Пономарева О. С. Утилизация отходов производства вторичного алюминия в доменной печи при выплавке глиноземистых шлаков // Приволжский научный вестник: научно-практический журнал, 2014. № 3–1 (31). С. 22–24.
- Кузнецова Т. В., Талабер Й. Глиноземистый цемент. – М.: Стройиздат, 1988. – 272 с.: ил. – ISBN 5–274–00217-Х
-
Махоткина Е. С. Применения отходов производства вторичного алюминия при получении глиноземистых шлаков доменной плавкой бокситов // диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова. Магнитогорск, 2011
.
