Дезинтеграционно-волновой способ рекуперации промышленных отходов предприятий металлургической промышленности

DOI:

For cite

Разработка способов и технологий рациональной переработки сырья относится к приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации.

Рациональная переработка сырья и отходов является одним из важнейших факторов, определяющих эффективность любого перерабатывающего предприятия [1].

Ориентация предприятий горно-обогатительной и металлургической промышленностей на внедрение систем управления качеством на основе принципов международных стандартов ISO подразумевает управление отходами различного происхождения, применение экологически безопасных и целесообразных способов их утилизации, а также возможность рекуперации фракционных составляющих шлаков и других отходов.

Большинство горнорудных месторождений и предприятий металлургической промышленности ориентированы на добычу и производство одного, реже двух-трех элементов. Весь остальной материал относится к отходам и шлакам. На различных этапах технологического процесса и производства металлов в зависимости от объема перерабатываемой руды образуется от 5 % до 80 % отходов. Так при производстве 1 тонны стального проката образуется от 17 до 30 тонн отходов. Ежегодный выход металлургических шлаков составляет сотни миллионов тонн, в том числе доменных - 50 млн тонн, сталелитейных 23 млн тонн, ферросплавных -5 млн тонн. Металлургические шлаки являются сложными системами. Основу металлургических шлаков составляют оксиды CaO, Si0 2 , MgO и FeO, также в них присутствуют оксиды Mn, Ва, Cr, Р. В отдельных случаях шлаки содержат оксиды Ti, В, V и ряд других соединений [2]. Повышенное содержание SiO 2 в шлаках приближает их к кислым, а извести - к основным. Кислотные шлаки состоят главным образом из SiO 2 (50–65 %) и некоторого количества основных оксидов FeO (10–20 %) и MnO (10–30 %).

Следует отметить негативное влияние отходов предприятий металлургического комплекса на окружающую среду из-за наличия в них водорастворимых форм металлов и эмиссии тяжелых металлов [3].

Вопросами утилизации и вторичного использования отходов горно-обогатительного и металлургического комплексов занимаются не только в России, но и в ряде европейских стран. Одним из традиционных потребителей таких отходов является цементная промышленность, которая использует до 7,4 млн тонн металлургических отходов ежегодно при производстве цемента. Однако малая активность минеральной части и непостоянный химический и фазовый состав отходов снижает их привлекательность для использования [2].

Разработка и промышленное внедрение способов рекуперации шлаков на основе инновационной технологии переработки позволит выделить дорогие и редкие элементы из общего числа шлаков без использования дорогостоящих и энергоемких плавильных и химических производств.

Анализ образцов шлаков Красноярского и Ставропольского краёв показал, что шлаки являются ценным источником многих элементов. Фракционное выделение элементов, составляющих шлаки, можно осуществить при помощи их рекуперации дезинтеграционно-волновым способом [4].

Рекуперация шлаков дезинтеграционноволновым методом является подготовительной операцией при утилизации отходов предприятий металлургической промышленности [1].

При разработке дезинтеграционно-волновых методов преобразования минералов и шлаков Ставропольского и Красноярского краев металорудных и перерабатывающих производств была установлена возможность рекуперации шлаков и других отходов в составляющую их элементную базу, которая может быть использована для высокоэффективных технологий, в материаловедении, в строительстве и других отраслях.

В основе дезинтеграционно-волновой переработки лежит метод диспергирования материалов в условиях низко температурной плазмы и атмосферного давления [5]. Эти условия реализуются при определенных режимах работы и формах поверхностей измельчителя, отличающихся от обычно применяемых в дезинтеграторах.

При проведении исследований установлено, что при внешнем управляющем воздействии, например - слабым СВЧ-КВЧ сигналом, меняется структура и фрактальная форма диспергируемого материала на микроскопическом уровне, что позволяет в дальнейшем сепарировать его по фракционному составу гравитационно-воздушным методом.

На рисунке 1 представлена машинно-аппаратурная схема для реализации процесса рекуперации шлаков. Машинно-аппаратная схема содержит дезинтегратор 1, блок СВЧ-КВЧ излучения 2, пневмотранспортер, состоящий из системы циклонов 3, воздушного фильтра 4 и воздуходувки 5. Шлаки поступают через загрузочный бункер в дезинтегратор 1, где при помощи билл происходит их измельчение. Далее измельченный шлак, при помощи созданного воздуходувкой 4 воздушного потока, направляется в разгрузочную батарею циклонов 2. Циклоны 2 предназначены для очистки воздуха и разделения по фракциям измельченного шлака. Окончательная очистка воздуха от пыли осуществляется при помощи фильтра 3. Представленная схема позволяет выделять из общего объема пылевоздушной смеси необходимые элементы с заданной концентрацией.

Рисунок 1. Машинно-аппаратурная схема рекуперации шлаков: 1 – дезинтегратор;

2 – блок СВЧ-КВЧ излучения; 3 – система циклонов; 4 – воздушный фильтр; 5 – воздуходувка

На рисунке 2 представлена конструкция дезинтегратора. Дезинтегратор состоит из корпуса 1 с откидной крышкой 2. Внутри корпуса расположены, установленные на приводных валах 6 и 7, диски 3 и 4, изготовленные из стали 12Х18Н10Т. Биллы 5, выполненные из закаленной стали ВК, установлены в дисках 3 и 4 по окружностям таким образом, чтобы биллы при вращении дисков не соударялись. Для загрузки измельчаемого материала в дезинтегратор предусмотрен загрузочный бункер 8. Измельченный материал выгружается через разгрузочный патрубок 9.

При работе дезинтегратора диски 3 и 4 вращаются в противоположные стороны, что обеспечивает более качественное измельчение материала. Исходный материал засыпают в загрузочный бункер 8, откуда он поступает через отверстие в корпусе 1 и специальные каналы диска 3, в зазор между дисками 3 и 4. Частицы материала движутся в закрученном потоке и за счет центробежной силы перемещаются в направлении от оси вращения дисков к их периферии. Измельчение частиц в более мелкую фракцию происходит при их соударении с биллами 5, а также друг с другом. Конечный продукт выводится из дезинтегратора через разгрузочный патрубок 9 и направляется для разделения по фракциям в систему разгрузочных циклонов.

Рисунок 2. Дезинтегратор: 1 – корпус; 2 – откидная крышка; 3 – первый диск; 4 –второй диск; 5 – биллы; 6, 7 – приводные валы; 8 – загрузочный бункер; 9 –разгрузочный патрубок

Представленный способ был использован при рекуперации шлаков Красноярского и Ставропольского краёв. В таблице 1 представлен элементный состав исходного материала и после его рекуперации дезинтеграционно-волновым способом. При анализе полученных результатов следует отметить, что при обработке исходных шлаков имеет место обогащение выделенной фракции по составу железа. Так для шлаков Ставропольского края концентрация железа увеличилась с 18,38 % до 94,19 %, а для шлаков Красноярского края – с 37,75 % до 97,44 %. Кроме того, наблюдается и увеличение атомного веса данного элемента.

Т а б л и ц а 1

Элементный состав шлаков Ставропольского и Красноярского края до и после рекуперации дезинтеграционно-волновым способом

N п.п.	Элемент	Ставропольский край				Красноярский край
		концентрация элементов в исходном шлаке		концентрация элементов после рекуперации шлака		концентрация элементов в исходном шлаке		концентрация элементов после рекуперации шлака
		весовая	атомная	весовая	атомная	весовая	атомная	весовая	атомная
1	Mg	2.15	4.40	0.51	1.10	3.89	6.90	-	-
2	Si	2.33	4.13	3.90	7.32	12.51	19.23	1.58	3.06
3	S	2.56	3.97	-	-	0.90	1.21	-	-
4	Cl	7.06	9.92	-	-	1.34	1.63	-	-
5	K	4.55	5.79	-	-	1.31	1.45	-	-
6	Ca	14.39	17.88	-	-	18.81	20.26	-	-
7	Mn	3.02	2.73	-	-	5.48	4.31	-	-
8	Fe	18.38	16.39	94.19	88.86	37.75	29.18	97.44	94.96
9	Cu	2.13	1.67	-	-	1.07	0.73	-	-
10	Zn	43.45	33.11	-	-	11.18	7.38	-	-
11	Al	-	-	1.40	2.72	3.77	6.04	0.98	1.98
12	Ti	-	-	-	-	0.58	0.53	-	-
13	Cr	-	-	-	-	1.42	1.18	-	-

При изучении микроструктуры шлаков (рисунок 3) установлено, что при рекуперации шлаков дезинтеграционно-волновым способом происходит изменение структуры материала. В частности, аморфное состояние исходного шлака преобразовалось в паракристаллическое.

Рисунок 3. Изображение микроструктуры: а – исходный материал; б – после рекуперации

На рисунке 4 представлены результаты спектрального анализа исходного материала и после его обработки дезинтеграционно-волновым способом. Следует отметить, что после рекуперации шлаков дезинтеграционноволновым способом увеличилась не только концентрация железа, но и его атомная масса, что влечет к увеличению физико-химической активности железа. Исследования показали, что данное состояние сохраняется в течение длительного промежутка времени, что позволяет сделать вывод о стабильности этого элемента.

б)

а)

Рисунок 4. Результаты спектрального анализа: а – исходный материал; б – после рекуперации

Таким образом, анализ результатов позволяет сделать вывод о возможности рекуперации отходов предприятий горно-обогатительной и металлургической промышленностей с использованием дезинтеграционно-волнового способа. Полученные в ходе обработки материалы,