ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ  ПРЕДПОСЫЛКИ  УТИЛИЗАЦИИ  МЕДЕПЛАВИЛЬНОГО  ШЛАКА  В  КАЧЕСТВЕ  АКТИВНОЙ  МИНЕРАЛЬНОЙ  ДОБАВКИ  ДЛЯ  БЕТОНОВ

Кравцов  Алексей  Владимирович

аспирант  кафедры  технологии,  организации  и  экономики  строительства  Костромской  государственной  сельскохозяйственной  академии,  РФ,  г.  Кострома

E-mail:  kravtsov1992@yandex.ru

Цыбакин  Сергей  Валерьевич

канд.  техн.  наук,  зав.  кафедрой  технологии,  организации  и  экономики  строительства,  доцент  Костромской  государственной  сельскохозяйственной  академии,  РФ,  г.  Кострома

E-mail:  sv44kostroma@yandex.ru

Пронина  Светлана  Игоревна

студент  4  курса  Костромского  государственного  университета  имени  Н.А.  Некрасова,  РФ,  г.  Кострома

E-mail: 

ENVIRONMENTAL   PREREQUISITES  OF  COOPER  SLAG  RECYCLING  AS  AN  ACTIVE  MINERAL  ADMIXTURE  IN  CONCRETES

Kravtsov  Alexey

postgraduate  student  of  Technology,  organization  and  economics  of  building  department  of  Kostroma  State  Agricultural  Academy,  Russia,  Kostroma

Tsibakin  Sergey

candidate  of  Science,  Head  of  the  Technology,  organization  and  Economics  of  building  department,  assistant  professor  of  Kostroma  State  Agricultural  Academy,  Russia,  Kostroma

Pronina  Svetlana

student  of  the  4th  course  of  Nekrasov  Kostroma  State  University,  Russia,  Kostroma

АННОТАЦИЯ

В  данной  статье  изучены  характеристики  загрязнения  Уральского  федерального  округа  отходами  металлургического  производства.  Предложено  использование  медеплавильного  шлака  в  качестве  активной  минеральной  добавки  для  бетонов.  Данное  направление  является  актуальным  в  современной  науке  в  связи  с  растущими  темпами  и  объемами  строительного  производства,  в  частности,  бетонных  работ,  важным  фактором  эффективности  которых  выступает  использование  новых  комплексных  добавок  на  основе  отходов  промышленности.  Представлены  результаты  химического  анализа  медеплавильного  шлака  (купершлака).

ABSTRACT

Characteristics  of  polluting  the  Ural  federal  district  with  by-products  of  metallurgical  industrial  enterprises  are  studied  in  this  article.  Metallurgy  manufacture  by-products  pollute  of  Ural  federal  district  are  studied  in  this  article.  It  is  proposed  to  use  cooper  slag  as  an  active  mineral  admixture  in  concretes.  This  trend  is  relevant  for  today’s  science  because  of  growing  rates  and  scales  of  building  production,  in  particular,  concrete  works.  Presence  of  new  complex  admixtures  made  from  industrial  by-products  in  concretes  is  an  essential  indicator  of  their  (materials)  effectiveness.  The  results  of  cooper  slag  chemical  analysis  are  presented. 

Ключевые  слова:  экологическая  ситуация;  Уральский  федеральный  округ;  отход;  шлак;  купершлак;  активная  минеральная  добавка;  химический  анализ.

Keywords:  ecological  environment;  Ural  federal  district;  waste  material;  slag;  cooper  slag;  active  mineral  admixture;  chemical  analysis.

Введение.  В  настоящее  время  в  результате  постоянного  роста  объемов  строительства  в  России  вопросы,  связанные  с  поисками  возможных  альтернативных  строительных  материалов,  становятся  актуальными.  Разработка  этих  вопросов  позволит  решить  ряд  острых  проблем  таких,  как  истощение  природных  ресурсов,  сохранение  окружающей  среды.  Использование  техногенных  отходов  взамен  природных  материалов  обеспечивает  решение  многочисленных  экологических  и  сырьевых  проблем  строительства:  природные  ресурсы,  используемые  в  строительном  производстве,  относятся  к  категории  невозобновляемых,  их  добыча  сопровождается  значимым  уроном  окружающей  экосистеме.

Углубление  научных  исследований  в  области  строительного  материаловедения  позволяет  осуществить  рациональную  утилизацию  техногенных  отходов,  основным  источником  которых  является  металлургическое  производство  цветных  и  черных  металлов  при  производстве  строительных  материалов.  Высокое  содержание  ценных  тяжелых  металлов  обусловливает  целесообразность  их  извлечения  и  вторичного  использования,  тем  более,  что  разнообразие  химического  состава  исходных  компонентов  переработки  дает  возможность  получить  разные  материалы  с  заданными  свойствами.  Однако  эффективное  извлечение  ценных  металлов  из  шлаков  на  настоящий  момент  не  обеспечивается,  большая  их  часть  сбрасывается  в  отвалы. 

Описание  исследования.  Одним  из  основных  источников  техногенных  отходов  металлургического  производства  Уральского  федерального  округаявляются  шлаки,  значи­тельная  часть  которых  не  используется  и  складируется  в  отвалах,  хранилищах  и  отстойни­ках.  Так,  1  т  производимого  чистого  чугуна  образует  около  0,6  т  доменного  шлака  и  0,1  т  пыли;  на  1  т  произ­водимой  стали  приходится  0,15  т  сталеплавильного  шлака  и  до  30  кг  пыли;  на  1  т  выпускаемой  черно­вой  меди  или  никеля  —  до  100  т  шлака  и  до  50  кг  пыли.  Это  связано  с  низким  содержанием  исходных  металлов  в  ископаемой  руде.  Так,  например,  медная  руда  (минералы  халькопирит  и  халькозин)  содержит  0,3—1,1  %  меди.  Только  в  Челябинской  области  ежегодно  образуется  металлургических  отходов  более  5  млн.  т.  [2,  с.  4].

Таким  образом,  шлаки  составляют  80  млрд.  т.,  основная  часть  их  располагается  на  Урале,  что  является  одной  из  наиболее  явных  причин  экологического  загрязнения  данной  территории.

В  технологическом  цикле  ме­таллургическими  предприятиями  ис­пользуется  большое  количество  воды,  что  обусловливает  распо­ложение  их  вблизи  водных  объ­ектов.  Вследствие  этого  большин­ство  металлургических  шлаков  складируется  в  отвалах  на  бе­регах  рек  и  водоемов  открытым  способом.  Притаком  способе  складирования  отвал  металлургических  шлаков  явля­ется  источником  вторичного  заг­рязнения  окружающей  среды.  Под  воз­действием  атмосферных  осадков  и  в  результате  выветривания  происходит  выщелачивание  из  металлургических  шлаков  ионов  тяжелых  металлов  (меди,  никеля,  кобальта)  и  ионов  жесткости,  что  приводит  к  эмиссии  загрязняющих  веществ  в  воздух,  объекты  гидросферы  и  почву.  Так,  проведенные  оценки  воздей­ствия  отвалов  металлургических  шлаков  на  состояние  находя­щихся  вблизи  рек,  их  донных  отложений,  подземных  вод  показа­ли  существенное  негативное  влияние  отвалов  [7,  с.  229],  в  частности,  были  зафиксиро­ваны  превышенные  значения  предельно  допустимой  концентрации  тяжелых  металлов,  изменения  минерального  и  микрокомпонентного  состава  донных  отложений  [1,  с.  40].

В  настоящее  время  вторичному  использованию  шлаков  в  относительно  больших  объемах  подлежат  отходы  доменных  и  сталеплавильных  печей,  применяемые  в  качестве  закладочного  материала  при  отсыпке  дорог,  а  также  для  строительных  бетонов  и  растворов.  Гораздо  меньшему  использованию  подвергаются  шлаки  цветной  металлургии,  среди  которых  наибольший  объем  занимают  шлаки  медного,  никелевого  и  свинцового  плавильного  производства,  частично  используемые  для  изготовления  медистого  чугуна  и  медноцинкового  сплава.

Уровень  вторичногоиспользования  всех  видов  шлаков  не  превышает  28  %  в  год  [5,  с.  221].  Объем  использования  сталеплавильных  и  доменных  шлаков  составляет  65  %,  в  то  время  как  объем  использования  медеплавильных  шлаков  —  менее  5  %,  что  является  причиной  разработки  технологии  утилизации  и  вторичного  использования  шлаков  медеплавильного  производства  [3,  с.  8].

Среди  существующих  способов  вторичной  переработки  медных  шлаков  известны  следующие  виды:

1.  переработка  шлаков  путем  термической  плавки  с  последующим  барботажем  газообразных  восстанавливающих  реагентов,  таких  как,  смесь  природного  газа  с  кислородсодержащими  газами  [9,  с.  183—184];

2.  переработка  шлаков  путем  восстановительной  плавки  в  присутствии  сульфидизаторов  пиритсодержащих  материалов  [6,  с.  179—183];

3.  одностадийная  или  многостадийная  переработка  шлаков  путем  карбидотермической  плавки  шихты,  содержащей  исходный  шлак  и  восстанавливающие  реагенты  [10,  с.  210—211].

Существенным  недостатком  вышеперечисленных  способов  является  необходимость  применения  пиритосодержащего  сырья,  что  способствует  привлечению  дополнительных  объемов  железных  руд  (п.  1.2),  и  необходимость  применения  дорогостоящих  восстанавливающих  реагентов  (п.  3),  что  существенно  повышает  себестоимость  переработки  шлаков.

Также  медеплавильный  шлак  реализуется  через  различные  организации  (ООО  «Торговый  Дом  СХИ»  г.  Волгоград»,  ООО  ТПП  «Сальвия»  г.  Иркутск,  ООО  «Родолит»  г.  Новосибирск,  ООО  «Союз  Успеха»  г.  Самара,  ООО  «Карабашский  Абразивный  Завод»  г.  Карабаш  и  др.)  в  качестве  материала  для  пескоструйной  обработки,  что  способствует  частичному  решению  экологической  проблемы  Уральского  федерального  округа.

Наиболее  оптимальным  средством  решения  данной  проблемы  является  осуществление  утилизации  техногенных  отходов  медеплавильного  производства  при  изготовление  активной  минеральной  добавки  для  бетонов,  улучшающей  его  прочностные  и  технологические  характеристики. 

Химический  анализ  медеплавильного  шлака  (купершлака,  от  англ.  cooperslag)  предоставленного  ООО  «Карабашский  Абразивный  Завод»  (Российская  Федерация,  Челябинская  область,  г.  Карабаш,  ул.  Киолимская,  д.  1)  дал  следующие  результаты: 

·     оксид  железа  (Fe₂О₃)  —  45,7  %

·     оксид  кремния(SiO₂)  —  32,0  %

·     оксид  магния  (MgO)  —  4,0  %

·     оксид  кальция  (CaO)  —  8,9  %

·     оксид  алюминия  (Al₂О₃)  <1,0  %

Полученный  анализ  подтверждает  способность  медеплавильного  шлака  к  участию  в  образовании  гидросиликата  кальция  в  бетонной  смеси  по  причине  высокого  содержания  оксида  кремния  (SiO₂)  и  наличие  вяжущих  свойств  шлака  при  его  высокой  удельной  поверхности  в  результате  помола  (Sуд>2500  см²/г)  из-за  относительно  высокого  содержания  оксида  кальция  (CaO).

Заключение.  Приведенная  информация  об  экологической  ситуации  Уральского  федерального  округа  и  результаты  химического  анализа  подтверждают  возможность  применения  купершлака  в  качестве  тонкомолотой  активной  минеральной  добавки  для  бетонов.  В  связи  с  этим  на  кафедре  «ТОиЭС»  АСФ  ФГБОУ  ВПО  КГСХА  начата  работа,  связанная  с  утилизацией  купершлака  в  технологии  бетонов. 

Перспективы  направления  переработки  купершлака  связаны  с  его  активированием  для  получения  химически  активных  добавок  к  бетонам.  В  настоящее  время  осуществляются  дальнейшие  исследования  в  данном  направлении.

Список  литературы:

1. Брызгалов  С.В.  Утилизация  металлургических  шлаков  при  производстве  железобетонных  свай  //  Экология  и  промышленность  России.  —  2008.  —  №  7.  —  С.  40—43. 
2. Гудим  Ю.А.,  Голубев  А.А.  Эффективные  способы  утилизации  отходов  металлургического  производства  Урала  //  Экология  и  промышленность  России.  —  2008.  —  №  12.  —  С.  4—8.
3. Дворкин  Л.И.,  Дворкин  О.Л.  Строительные  материалы  из  отходов  промышленности:  учебно-справочное  пособие.  Ростов  н/Д:  Феникс,  2007.  —  С.  368.
4. Касиков  А.Г.,  Проблемы  и  перспективы  вовлечения  в  хозяйственный  оборот  отвальных  продуктов  медно-никелевого  производства  //  Развитие  Севера  и  Арктики:  проблемы  и  перспективы:  Материалы  межрегиональной  научно-практической  конференции  (Апатиты,  14—16  ноября  2012  г.)  Апатиты,  2012.  —  С.  288.
5. Касторных  Л.И.  Добавки  в  бетоны  и  строительные  растворы:  учебно-справочное  пособие.  Ростов  н/Д.:  Феникс,  2007.  —  С.  221.
6. Купряков  Ю.П.  Шахтная  плавка  вторичного  сырья  цветных  металлов:  монография.  М.:  ЦНИИцветмет  экономики  и  информации,  1995.  —  С.  164.
7. Максимович  Н.Г.,  Меньшикова  Е.А.,  Блинов  С.М.,  Влияние  отходов  ме­таллургического  производства  на  состояние  р.  Чусовой.  //  Геодинамика  и  гео­экология:  Материалы  международной  конференции  Архангельск,  1999.  —  С.  227—229.
8. Тимонин  А.С.  Инженерно-экологический  справочник.  Т.  3.  Калуга:  Издательство  Н.  Бочкаревой,  2003.  —  С.  1024 
9. Худяков  И.Ф.,  Кляйн  С.Э.,  Агеев  Н.Г.  Металлургия  меди,  никеля  и  кобальта.  ч.1:  учебник  для  вузов  по  специальности  «Металлургия  цветных  металлов».  М.:  Металлургия,  1977.  —  С.  295.
10. Худяков  И.Ф.,  Кляйн  С.Э.,  Агеев  Н.Г.  Металлургия  меди,  никеля,  сопутствующих  элементов  и  проектирование  цехов:  учебник  для  вузов  по  специальности  «Металлургия  цветных  металлов».  М.:  Металлургия,  1993.  —  С.  431.