Рациональные технологии для вторичных ресурсов

Научная команда Южно-Уральского государственного университета (г.Челябинск)  активно занимается  вопросами   переработки  техногенных отходов и  внедрила  технологию  по созданию металломагнезиального композита на основе  авторской электронной теории  восстановления.

В современной металлургии и нефтегазовой промышленности идет разработка технологии, которая станет менее затратной и  более продуктивной, а главное, экологичной.  

Так, челябинские учёные занимаются исследованиями,  которые направлены на переработку техногенных отходов.  Например, на основе шлаков  металлургического производства получают расклинивающий  материал (пропант).  Выдвинутая инженерами  теория  твердофазного  восстановления  металлов применима к любым видам руд и подтвердилась практическими результатами.

В чем заключается  механизм восстановления  металлов и как  новый теоретический подход может объяснить  экспериментальные исследования по извлечению металлов из руд, а также о пользе вторичного сырья для металлургии – сообщили  Рощин Василий Ефимович – руководитель ряда работ по развитию теории восстановительных процессов, доктор техн. наук, профессор кафедры «Пирометаллургические  процессы» Южно-Уральского государственного университета (г. Челябинск) и  Гамов Павел Александрович – кандидат тех.наук, доцент, заведующий  кафедрой «Пирометаллургические  процессы» Южно-Уральского государственного университета (г. Челябинск).

Специалистами  предложена технология получения пропанта из металлургических шлаков. Данные  проведенных лабораторных испытаний обнародованы в научном журнале Вестник ЮУрГУ (Серия «Металлургия», 2018, Т 18). По словам профессора Рощина, «утилизация металлургических шлаков с получением востребованных продуктов является одной из самых актуальных технических и экологических проблем современного этапа развития промышленности». Поэтому перед инженерами из Челябинска стояли основные задачи: во-первых, разработка безотходной технологии переработки шлаков доменного  и медеплавильного производств; во-вторых, определение оптимальных параметров процесса получения пропантов в лабораторных условиях;  в-третьих, апробация технологии комплексной переработки шлаков доменного  и медеплавильного производств в промышленных условиях.

Ученые рассмотрели возможность получения высокопрочных пропантов -материалов, которые активно используются в нефтедобывающей промышленности, чтобы заполнять нефтяные скважины после гидроразрыва пластав в нефтяных скважинах. Состав был из смеси шлаков доменного производства с добавлением природных материалов кварцита и магнезита.Как отмечает профессор Рощин, «для обеспечения требования ГОСТ Р 54571–2011 «Пропанты магнезиально-кварцевые» требуется придерживаться точного химического состава пропантов. Для доведения состава исходного доменного шлака до требуемого добавляются кварцит и магнезит. Кварцит является источником SiO₂, а магнезит – MgO».   У полученного  пропанта   определяли  химический состав, микроструктуру, водопоглощение,   кислостойкость. 

Итоги показали, что этот вариант изготовления пропанта отличается эффективностью и доступностью технологии. Готовый материал удовлетворяет требованиям стандарта, но  нуждается в детальном изучении химического состава (в связи с обнаружением высокого содержания оксида кальция). «Пропанты успешно прошли испытания в ФГАОУ ВО «РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина», показав полное соответствие всем требованиям ГОСТ. В настоящее время проводятся работы по доведению технологии получения пропантов с целью повышения выхода годного. Ведутся переговоры по запуску технологии в промышленном масштабе».

По схожей технологии можно перерабатывать отходы цветной металлургии, изготавливая из восстановленного железа мелющие тела, а из оставшегося шлака – пропанты», – отметил Рощин.

Для  повышения эффективности промышленного производства   представляет интерес  не  только   переработка   металлургических отходов, но и внедрение современных восстановительных  процессов для вовлечения в переработку ранее неиспользуемых бедных и комплексных руд.

 В последней работе, опубликованной в отечественном рецензируемом издании Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2019, Том 62),  уральские  инженеры  выдвинули  на рассмотрение электронную теорию твердофазного  восстановления  металлов в кристаллической решетке оксидов. 

Поясняет профессор Рощин: «На базе представлений химии и физики твёрдого тела о несовершенных кристаллах, квантовой механики об особенностях распределения и перемещения электронов в металлах и ионных полупроводниках разработаны положения электронной теории твёрдофазного восстановления металлов в кристаллической решётке оксидов. Теория восстановления описывает электро- и массоперенос в газовой и конденсированных фазах, обмен электронами между восстановителем и оксидом, перераспределение электронов между катионами и анионами в решётке оксида и превращение кристаллической решётки оксида в решётку  металла, а также влияние на эти процессы внешних параметров – давления и температуры. Теория позволяет определять условия, при которых можно осуществлять твёрдофазную металлизацию не только используемых в настоящее время железных моноруд, но и непригодных для переработки доменным процессам бедных и комплексных руд с извлечением всех содержащихся в них полезных компонентов, а также техногенных отходов с получением востребованных продуктов».

Опираясь  на  ряд предыдущих экспериментальных  исследований по изучению восстановления металлов из многокомпонентных рудных и нерудных материалов,  специалисты  пришли к решению, что  химические процессы  следует   понимать на основе физических законов. Чтобы  уточнить теоретические представления о механизме восстановления, уральские ученые    взяли  за основу  свою работу  по карботермическому восстановлению металлов в бедных и комплексных металлосодержащих рудах.  

Говорит  заведующий кафедрой Павел Гамов: «Проводя лабораторные исследования с рудами разного состава, мы заметили, что во многих случаях существующие атомно-молекулярные теории восстановления не работают.  В то же время нам удалось в этих условиях вполне успешно  восстанавливать металл в кусках твёрдой руды недефицитным и недорогим углём. Эти сугубо практические результаты потребовали более детального исследования теоретических аспектов восстановления. Оказалось, что процессы идут не на атомном, а на более тонком – электронном уровне. Нам пришлось разбираться в теории, погружаясь все глубже в науку и используя научные достижения других областей науки: физики и химии твёрдого тела, физики полупроводников, квантовой химии».

Ученые  пришли к мнению, что  восстановление металлов базируется на процессах преобразования  кристаллической решетки  оксида  в кристаллическую решетку металла. Авторы применили  технологию  твердофазного  восстановления  металлов углеродом  в оксидах кремния, хрома, алюминия и в железосодержащих рудах различного происхождения. Образцы изучались в лабораторных условиях до и после  испытания,  и было установлено, что   перестройкой катионов оксидной решетки в металлическую  завершается  восстановление любых металлов во всех оксидах и рудах. Затем, применив  электронную теорию,  инженеры  разработали новую технологию по созданию металломагнезиального композита, содержащего чистое первородное железо.

«Как следует из результатов экспериментов, для твердофазного восстановления железа не требуется тонкое измельчение руды и изготовление рудно-угольных окатышей или брикетов. Процесс восстановления успешно реализуется в кусочках руды размером 10...20 мм. Это позволяет исполь­зовать рудную мелочь, образующуюся при грохочении сидеритовой руды, восстановление производить на уже хорошо зарекомендовавших себя установках обжига материалов с использованием газообразного или низкокачественного твёрдого топлива. Получаемый при твердофазном восстановлении железа в сидероплезите металло-оксидный композиционный материал содержит металлическое железо (60...85%), оксид магния (15...25 %), оксиды марганца (3…6%), а также в небольшом количестве оксиды железа, кремния и алюминия,  –  комментирует Гамов, говоря о ключевых  моментах  работы  – Затраты на производство этого продукта сопоставимы с затратами на производство сидеритового концентрата или магнезиальных флюсов при его несравненно более высокой цен­ности.  Металло-оксидный композит, получаемый твердофазной металлизацией си­деритовой руды, можно использовать в неразделённом состоянии в конвертерном производстве вместо магнезиальных флюсов, применяемых для повышения со­держания MgO в шлаках, и как дополнительный источник первородного железа».

В проекте  по разработке механизма восстановления  металлов углеродом участвовали сотрудники кафедры «Пирометаллургические  процессы» ФГАОУ ВО «ЮУрГУ (НИУ)» (г. Челябинск)  профессор Рощин Василий Ефимович,  заведующий кафедрой Гамов Павел Александрович  и кандидат тех.наук, доцент Салихов Семен Павлович

Как подчеркивает Гамов: «В 2000-е годы кафедра «Пирометаллургические  процессы» ФГАОУ ВО «ЮУрГУ (НИУ)» (г. Челябинск) начала исследования особенностей восстановления металлов в комплексных и бедных рудах. Восстановление по традиционной технологии неразрывно связано с плавлением всего, что находится в руде. При использовании бедных руд – это чрезвычайно затратный процесс, так как приходится плавить и переводить в шлак много лишнего и ненужного, при этом  затрачивая огромные ресурсы на подготовку рудного сырья и получения кокса. Поэтому мы избрали перспективный путь восстановления металлов в твёрдой руде при низкой температуре и при использовании обычного каменного угля».

Проекты, выдвигаемые  в этом направлении, особенно актуальны  сегодня.  Поиск  технических  решений  проходит с учетом  применения  дешевого сырья и продуктивности технологии, а также  сохранения  окружающей среды.

«Производство стали сейчас осуществляется по двухстадийной схеме «чугун-сталь», центральным агрегатом которой является доменная печь.  Современная ДП – высокомеханизированный, автоматизированный и компьютизированный агрегат, обладающий огромной производительностью (порядка 10 000 чугуна/сутки). Колоссальные размеры и производительность ДП требуют постоянства и высокого качества исходных материалов руды и кокса. В условиях истощения запасов качественных руд и коксующихся углей приходится производить всё более сложную и дорогую подготовку материалов, в том числе агломерацию руд и коксование угля. А это самые вредные производства металлургического цикла. – рассказывает Гамов  о научной идее проекта  и  трудностях ее реализации – При агломерации и коксовании выделяется 70% вредных газов от общего объёма выбросов чёрной металлургии. Но даже при этом в ДП печах невозможно или нецелесообразно перерабатывать комплексные и бедные руды, в частности, титаномагнетитовые, сидеритовые. Их иногда используют в ограниченных количествах в качестве добавок к богатому сырью, потому что содержащиеся в них титан и магний в доменной печи образуют тугоплавкие соединения, которые расстраивают процесс. Кроме того, при этом и титан, и магний переходят в шлак и безвозвратно теряются».

«Проблема переработки таких руд является мировой проблемой, но особенно актуальна она для предприятий Южного Урала. После разделения СССР на независимые государства предприятия Южного Урала  остались без железорудного и хромового сырья, так как их основная рудная база – кемпирсайские хромовые и соколовско-сарбайские железные  руды оказались за пределами России. В этих условиях встала проблема поиска рациональных технологий получения железа и феррохрома из бедных уральских хромовых руд и железа – из сидеритовых и титаномагнетитовых руд, запасы которых составляют десятки миллиардов тонн и которые могут обеспечить работу металлургических заводов региона на протяжении многих десятилетий», –  подчеркивает   челябинский ученый.

Таким образом,  исследования твердофазного  восстановления  металлов   позволяют  под другим углом  посмотреть на  процесс восстановления и   экспериментально  подтвердить  значимость  выдвинутой гипотезы. По словам Гамова, «теория позволила разработать основы технологий безотходной переработки комплексных  руд с использованием всех полезных компонентов, а также утилизации железосодержащих шлаков и шламов цветной металлургии с получением востребованных продуктов – чугунных мелющих тел, пропантов для нефтегазовой промышленности, стальной строительной арматуры и строительных материалов.

Итогом стали технологические схемы, в которых вместо агло-доменного процесса подготовки руд, коксохимического производства и доменной плавки чугуна производится низкотемпературное твёрдофазное восстановление в относительно простых трубчатых печах с последующим разделением металла и концентрата оксидов титана, магния и других ценных оксидов. При этом вместо кокса используются энергетический уголь и практически неподготовленные кусковые руды», – заключает Павел Гамов.

Технологические схемы переработки  вторичного сырья и процесса восстановления, представленные специалистами ЮУрГУ, обнаруживают немало преимуществ в  развитии российского промышленного комплекса.