За основу взята статья «Применение алюминиевых шлаков и продуктов их переработки в металлургическом производстве» авторы: Л.В. Трибушевский, Б.М. Немененок, Г.А. Румянцева, А.В. Арабей, Белорусский национальный технический университет, г. Минск
Почему это важно
Рециклинг алюминия — это не только экономия энергии и сырья, но и сокращение «углеродного следа» от производства. Однако у любой медали есть обратная сторона: плавка алюминиевого лома под слоем флюса, один из самых распространённых методов получения вторичных сплавов, даёт побочный продукт — солевые шлаки. В них остаётся от 6 до 15% алюминия, а также оксиды, нитриды, карбиды и хлористые соли натрия и калия.
Когда остаточного алюминия в шлаке становится меньше 10%, его дальнейшая переработка считается нерентабельной — и шлак отправляется в отвалы. Только в России ежегодно образуется 300–400 тыс. тонн таких отходов. Значительные объёмы накоплены и в Беларуси. Соли, растворяясь, загрязняют почву и воды, а мелкодисперсные пылевидные частицы разносятся ветром на большие расстояния. Это экологическая проблема, которая требует решения.
Главная идея: безотходная металлургия
Развитие металлургии всё чаще рассматривают с позиции безотходных технологий. Речь идёт не просто о возврате металла из отходов, а о создании добавленной стоимости при переработке и полном использовании концепции No WASTE — когда за пределы предприятия вывозятся только действительно ценные материалы.
Алюминиевые шлаки — идеальный пример для такой логики. Они содержат не только остаточный металл, но и оксиды алюминия, кремния, магния, кальция. При правильном подходе они превращаются в сырьё для производства раскислителей, разжижителей шлака и других востребованных материалов.
Как шлаки используют в металлургии сегодня
Отходы переработки литейных шлаков широко применяют в сталеплавильном производстве. Вот лишь несколько направлений:
Десульфурация стали. Шлаковая смесь Synaltex на основе извести и алюминиевого шлака, содержащая 60% Al₂O₃, обеспечивает степень десульфурации мартеновской стали до 30%, а электростали — до 50%. Расход смеси — 10 кг на тонну стали, затраты не превышают 0,6% её себестоимости.
Шлакообразующие реагенты. В кислородно-конвертерном, мартеновском и электродуговом производстве используют отходы алюминиевого производства, содержащие до 30% Al₂O₃. Это обеспечивает быстрое образование «белого» шлака, ускоряет десульфурацию и сокращает восстановительный период.
Экономия алюминия и энергии. Использование отходов вторичного алюминия позволяет кратковременно снизить скорость обезуглероживания за счёт раскисления шлака, а также уменьшить расход извести, металлического алюминия, электроэнергии и огнеупоров. Стойкость футеровки шлакового пояса ковшей при этом растёт.
Брикеты для раскисления. Более 5000 плавок показали: алюмошлаковые брикеты сокращают продолжительность наведения рафинирующего шлака и внепечной обработки стали, стабилизируют показатели десульфурации и снижают расход ковшевых огнеупоров.
Модифицирование и легирование. Обработка углеродистых и низколегированных сталей отходами алюминиевого производства обеспечивает глобуляризацию неметаллических включений, ослабление ликвации, измельчение дендритной структуры и повышение плотности металла.
Где возникает проблема
Казалось бы, всё хорошо: шлаки перерабатываются, металл возвращается в оборот, сталь раскисляется. Но есть нюанс, который сдерживает широкое применение таких реагентов.
Основная масса реагентов из отходов производства вторичного алюминия (ОПВА) содержит повышенное количество хлористых солей натрия и калия. При внепечной обработке стали, где температура достигает 1590–1650 °C, хлориды обладают высокой летучестью и существенно ухудшают условия труда в рабочей зоне. Это главный сдерживающий фактор.
Два пути решения
Из этой ситуации есть два выхода.
Первый — бесфлюсовая плавка. Если плавка алюминиевых отходов идёт без флюса, образующиеся шлаки не загрязняются хлоридами натрия и калия. Это чистый продукт, который можно использовать в сталеплавильном производстве без ограничений.
Второй — отвальные шлаки. Мелкая фракция (менее 8 мм) отвальных шлаков при длительном хранении на открытой площадке окисляется: остаточный алюминий превращается в Al₂O₃, а соли вымываются. В результате содержание солевых флюсов в таком материале снижается до 1,0–1,5%. Это уже приемлемый уровень для использования в металлургии.
Более того, такая подготовка отвального шлака позволяет извлечь из него металлический алюминий. Как? С помощью вихревой сепарации с использованием ленточного конвейера с многополюсным магнитным ротором. При вращении магнитной системы в частицах алюминия индуцируются вихревые токи, создающие магнитное поле. В результате металлические частицы выбрасываются из движущегося потока и отделяются от электропроводящей фракции. Извлечённый алюминий можно использовать для производства раскислителей в виде чушек или «пирамидок».
Неэлектропроводящая фракция отвального шлака, содержащая более 75% Al₂O₃, сплавляется с известью для получения синтетического шлака или используется при производстве разжижителей рафинировочного шлака.
Не только металлургия
Алюминиевые шлаки находят применение и в других отраслях. Их используют:
в формовочных и стержневых смесях, огнеупорных бетонах и кокильных красках;
как противопригарные покрытия форм и стержней для стального и чугунного литья (по качеству они не уступают покрытиям на основе маршалита и цирконового концентрата, а стоят существенно дешевле);
для формирования керамической оболочки при литье по выплавляемым моделям;
как сырьё для получения глиноземистого цемента;
для очистки сточных вод от сульфата кальция;
для производства оксихлорида алюминия, обладающего высокими коагулирующими свойствами;
как минерализатор растворов при бурении нефтяных скважин;
как заполнитель жаростойкого бетона.
Что мешает вовлечь шлаки в оборот
Несмотря на широкий спектр применений, вовлечение этого вторичного сырья в производство встречает значительные трудности технологического и экологического характера. Из-за низкого содержания металлизированной фракции шлак требует обогащения, при котором много металла теряется с мелкими фракциями — суммарно 13–20% от исходного содержания. Утилизация мелких фракций крайне затруднительна из-за их сложного и непостоянного вещественного состава.
Показательный пример: в 2003 году добавка пыли от механического обогащения алюминиевого шлака Подольского завода в шихту для производства керамзита повысила его марочность с 400 до 600. Но использование пыли того же завода в 2005 году дало крайне нестабильные результаты. А применение пыли пермской фирмы «Алур» положительных результатов не дало вовсе.
Ключевые выводы
Алюминиевые шлаки — это не мусор, а ценное сырьё. Они содержат остаточный металл и оксиды, пригодные для производства раскислителей, разжижителей шлака, огнеупоров и строительных материалов.
Главная проблема — хлориды. Соли натрия и калия, содержащиеся в шлаках от флюсовой плавки, ухудшают условия труда при внепечной обработке стали. Решение — бесфлюсовая плавка или использование отвальных шлаков после длительного хранения.
Вихревая сепарация — эффективный инструмент. Она позволяет извлечь металлический алюминий из отвальных шлаков, а неэлектропроводящую фракцию с высоким содержанием Al₂O₃ использовать для получения синтетического шлака.
Безотходная металлургия — это реальность. Использование техногенных отходов от плавки вторичного алюминия в сталеплавильном производстве — существенный резерв повышения эффективности, который решает экологические, экономические и социальные задачи.
Требования к стали растут. За последние 50 лет допустимые концентрации серы и фосфора в стали для энергетического машиностроения снизились в 15 и 12 раз соответственно. Наиболее высокие показатели десульфурации обеспечивают синтетические шлаки на основе CaO и Al₂O₃ — а это как раз отходы переработки вторичного алюминия.
Именно поэтому алюминиевые шлаки — не проблема, а возможность. Вопрос лишь в том, чтобы правильно организовать их переработку.