Российские ученые создают технологию безотходной переработки медьсодержащих шлаков

03.03.2021

Экологичный подход к переработке отходов медеплавильных предприятий разрабатывают ученые ЮУрГУ

Токсичные отходы металлургии

Ориентир на экологию — основной тренд современного производства. Особенно он актуален для предприятий черной и цветной металлургии, на каждом этапе работы которых образуются отходы в виде хвостов обогащения: шлака, шлама, пыли газоочисток. Например, в городе Карабаше (Челябинская область) хранится около 30 миллионов тонн отвальных промышленных отходов: это 10 тонн железа, а также медь, сера, мышьяк, селен, цинк и другие опасные элементы.

Элементы, входящие в состав отходов, могут образовывать токсичные химические соединения, их хранение требует больших площадей и плохо сказывается на экологии. Поэтому территории, где металлургия является основной отраслью, нуждаются в правильной утилизации отходов с извлечением опасных веществ и повторным использованием некоторых элементов, что выгодно с точки зрения экологии и экономики.

Работа с медьсодержащими отходами

Чаще всего ценные элементы извлекают во время утилизации гидрометаллургическим методом: полезные компоненты приводят в подходящую для растворения форму, затем избирательно переводят в жидкую фазу, а из раствора выделяют металлы и соединения. Однако извлечение каждого из элементов шлакоотвалов в отдельности нерентабельно. Кроме того, чистые вещества получить практически невозможно: часто к ним примешиваются тяжелые цветные металлы, которые значительно снижают механические свойства стали машиностроительного сортамента.

«Медьсодержащие отходы нежелательно использовать на металлургических заводах вследствие опасности повышения концентрации меди в шихте сталеплавильных агрегатов. Однако их утилизация необходима, потому что входящие в состав отходов элементы могут образовывать токсичные соединения, входящие во второй и первый класс опасности по силе воздействия на человеческий организм. Сегодня в России в одних лишь отвалах медеплавильных предприятий находится более 140 миллионов тонн шлака», — рассказал к.т.н., заведующий кафедрой «Пирометаллургические процессы» Политехнического института ЮУрГУ Павел Гамов.

Безотходная переработка шлака

Как добиться безотходной утилизации — знают ученые Южно-Уральского государственного университета. Совместно с коллегами из РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина, фонда «Сколково» и Белорусского национального технического университета они разрабатывают проект переработки техногенных отходов медеплавильных предприятий. Работа ведется в рамках Уральского межрегионального научно-образовательного центра по направлению «Экология».

Проектом предполагается разработка теоретических и технологических основ извлечения из шлака наиболее ценных компонентов — железа и цинка. Из шлакового остатка будут производить пропант — это гранулообразный материал, который используется в нефтедобывающей промышленности для повышения эффективности отдачи скважин с применением технологии гидроразрыва пласта.

Железо, которое имеет самую высокую стоимость в отходах медеплавильного производства, подойдет для изготовления чугунных мелющих тел. Остаточное содержание в нем меди и серы не повлияет на качество продукции. Кроме того, в процессе эксплуатации они почти полностью истираются, так что даже такие вредные примеси, как медь, по итогу не попадут в лом черных металлов.

«Исследования ЮУрГУ показали возможность получения товарного продукта в виде мелющих тел, в которых сера не является вредной примесью, а препятствуя графитизации углерода, способствует выделению его в виде твердых карбидов, увеличивает износоустойчивость. Медь, в свою очередь, также является полезной примесью, увеличивает ударопрочные свойства чугуна. При высоком качестве шары имеют значительно меньшую себестоимость, так как чугун, используемый для отливки, производится из отходов медной промышленности (шлака) и не содержит дорогостоящих добавок (хрома)», — рассказали представители индустриального партнера проекта ООО «ИЦ АС Теплострой».

Второй по стоимости компонент, цинк, очень необходим промышленности. В медеплавильных шлаках содержится около 2,5% этого цветного металла, поэтому его возвращение на производство в качестве вельц-окиси позволит восполнить нехватку цинка на современных предприятиях.

Реализация проекта переработки техногенных отходов рассчитана на ближайшие пять лет. Сейчас завершены лабораторные испытания, следующим этапом станет создание полупромышленной линии на базе ПАО «Северсталь». Предприятие может стать потенциальным заказчиком проекта.

Руководит проектом Александр Поволоцкий, к.т.н., директор научно-образовательного центра «Металлургия», исполнителями являются сотрудники кафедры «Пирометаллургические процессы» и кафедры «Литейное производство» факультета Материаловедения и металлургических технологий Политехнического института ЮУрГУ.

Южно-Уральский государственный университет выполняет функции регионального проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня «Передовые производственные технологии и материалы» (УМНОЦ). Это университет цифровых трансформаций, где ведутся инновационные исследования по большинству приоритетных направлений развития науки и техники. В соответствии со стратегией научно-технологического развития РФ университет сфокусирован на развитии крупных научных междисциплинарных проектов в области цифровой индустрии, материаловедения и экологии. В Год науки и технологий ЮУрГУ примет участие в конкурсе по программе «Приоритет—2030».