ПЕРЕРАБОТКА ШЛАКОВ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПЕРВИЧНОГО АЛЮМИНИЯ

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается актуальность переработки шлаков, образующегося как отходы производства первичного алюминия. Приведены основные способы переработки шлаков, рассмотрены преимущества и недостатки приведенных методов.

ABSTRACT

The article discusses the relevance of processing slags generated as waste from the production of primary aluminum. The main methods of processing slag are given, the advantages and disadvantages of these methods are considered.

Ключевые слова: переработка шлаков алюминиевого производства, переработка отходов.

Keywords: processing of aluminum production slag, waste processing.

Известно, что основным методом получения первичного алюминия является способ электролиза криолит-глиноземного расплава.

Образующиеся шлаки при производстве первичного алюминия, являются важным побочным продуктом процесса электролиза, который включает растворение глинозема (оксида алюминия) в расплавленном криолите (Na3AlF6) при температуре 980 ⸰С и пропускании через него постоянного тока. В состав шлаков входят: KCl - 24%, NaCl - 11%, Al₂O₃ - 35%, SiO₂ - 3,5%, CaO - 1,9%, MgO - 3,8%, Zn - 0,6%, CuO - 0,4%, а также другие примеси, и варьируются в зависимости от качества исходного сырья, условий электролиза и применяемых технологий.

Шлаки обладают рядом свойств, и являются привлекательными для использования в различных отраслях промышленности. Они обладают высокой плотностью, низкой влажностью, химической стойкостью, а также способностью к тепло- и звукоизоляции.

Переработка таких отходов является задачей актуальной. В целом, шлаки, образующиеся при производстве первичного алюминия, представляют собой ценный ресурс.

В настоящее время шлаки алюминиевого производства представляют практический интерес для производства вторичного алюминия. Они относятся к IV классу опасности и являются малоопасными. Их количество составляет около 40-45 кг на 1 тн. алюминия-сырца, который накапливается на временных площадках, а далее складируется на полигонах. Готовой объем накопления шлака примерно составляет 17 140 тн. При этом средняя занимаемая площадь полигона размещения и захоронения промышленных отходов может составлять 37 – 63 тыс. м2.

Развитие алюминиевой отпасли приходится на период с 1930 годов. В 1932 году на Волховском алюминиевом комбинате (Ленинградская область) был получен первый советский алюминий. В том же году введён в эксплуатацию Таджикский алюминиевый завод (в то время — Таджикский алюминиевый комбинат). Таким образом, на сегодняшний день большинство предприятий алюминиевого производства требуют модернизации производства, что свидетельствует, также о ненадлежащем состоянии полигонов отходов в составе таких предприятий, и как правило, многие из них не имеют современной гидроизоляции, с учетом современных стандартов. Что оказывает негативное воздействие на все элементы биосферы, загрязняя химическими веществами окружающую среду. В отвалах шлаки под действием атмосферных условий быстро разлагаются, содержащиеся в них хлориды, растворяясь, загрязняют почву, поверхностные и подземные воды, нанося большой ущерб окружающей природе на обширной территории вокруг шлаковых отвалов. В процессе разложения шлаков выделяются вредные газы (аммиак, сероводород, водород и др.), загрязняющие атмосферу. А также вовлекаются в процессе складирования этих отходов все больше плодородных земель, которые в дальнейшем требуют длительного времени в процессе восстановления их физико-химических свойств.

Мониторинг окружающей среды на полигонах отходов производства включает:

• Наблюдение за состоянием воздуха, почвы и воды.
• Отбор проб воздуха, почвы и воды для анализа.
• Лабораторные исследования проб.
• Оценка результатов исследований и сравнение их с нормативными показателями.
• Составление отчётов о состоянии окружающей среды на полигоне.

Результаты мониторинга окружающей среды используются для принятия управленческих решений, направленных на обеспечение экологической безопасности и охрану окружающей среды.

Для снижения негативного воздействия промышленных полигонов на окружающую среду возникла необходимость переработки шлаков с целью получения ценных компонентов, в частности алюминия, так как в отходе его содержание составляет до 8 %. Согласно литературным источникам отечественных, а также зарубежных исследователей отмечено, что имеются значительное количество методик переработки и утилизации таких шлаков:

1. Пирометаллургия включают в себя обработку шлака при высоких температурах. В процессе пирометаллургии шлак нагревается до очень высоких температур (свыше 900-960 ⸰С), превышающих температуру плавления алюминия или его сплава, выдерживают при данной температуре, удаляют образовавшийся вторичный шлак и сливают металл. Недостатками способа являются высокие энергозатраты (природный газ, уголь, химический недожог, повышенные температуры процесса), низкая экологичность процесса (отходящие газы).
2. При гидрометаллургическом процессе шлак обрабатывается химическими реагентами, которые извлекают металл и отделяют его от шлака. Извлечение элементов из полиметаллического сырья происходит с помощью жидкофазных растворителей и последующее выделение их из растворов в форме металлов или моноосадков. Основными стадиями гидрометаллургической технологии являются:

- Подготовка сырья; эта операция способствует более быстрому, полному, селективному выщелачиванию ценного металла. Известны механические способы (дробление, измельчение) и физико–химические, связанные с изменением фазового состава сырья (прокалка, обжиг, спекание, гидротермальное активирование, обезжиривание вторичного сырья и др.).

- Выщелачивание, т. е. перевод металла в водную фазу с последующим отделением нерастворимого остатка методами отстаивания, фильтрации, центрифугирования и промывкой остатка.

- Подготовка раствора: очистка от посторонних примесей физико–химическими методами (осаждение в форме труднорастворимых соединений, цементация, сорбционно–экстракционное разделение), концентрирование раствора приемами упаривания, сорбции и экстракции с последующим получением при десорбции и реэкстрации обогащенной водной фазы.

- Выделение из раствора ценного элемента в форме металла (электролиз, автоклавное осаждение газом) или соединения (кристаллизация, химическое осаждение, дистилляция).

Положительными характеристиками гидрометаллургии можно назвать возможность разделения близких по свойствам металлов и более упрощенный вариант переработки. К тому же, применение гидрометаллургии значительно безопасней в экологическом плане, поскольку не дает вредных отходов, которые могу загрязнять окружающую среду.

3. Флотация - этот процесс включает в себя добавление поверхностно-активных веществ к шлаку, которые заставляют металл прилипать к пузырькам воздуха. Затем металл извлекается из шлака вместе с пузырьками воздуха. Достоинства флотации является высокая степень очистки (до 95 процентов), большая скорость процесса, простая аппаратура и низкие энергозатраты.
4. Электролитическое рафинирование - этот процесс используется для извлечения чистого алюминия из алюминиевых сплавов. Шлак подвергается электролизу, в результате чего чистый алюминий осаждается на катоде, а шлак остается на аноде.
5. Центробежное разделение: Этот процесс использует центробежную силу для отделения металла от шлака. Вращающийся барабан, содержащий смесь металла и шлака, разгоняется до высокой скорости, в результате чего более тяжелые частицы металла отбрасываются к центру барабана, а более легкий шлак отбрасывается к его краям.

Центробежное разделение происходит при помощи барабанного магнитного сепаратора, который извлекает из исходного шлака ферромагнитные включения, а вихретоковый магнитный сепаратор обеспечивает высокий уровень извлечения алюминия пригодного для вторичной переплавки. Такое решение позволяет разделить исходный продукт на шлак, алюминиевый скрап и магнитные примеси, не используя гидрометаллургических, пирометаллургических способов переработки отвальных алюмосодержащих шлаков, что является более экологичным решением.

Переработка шлаков, полученных при производстве первичного алюминия, является актуальной проблемой, требующей решения. Поэтому предприятиям, занимающимся переработкой отходов первичного алюминия необходимо выполнить следующие этапы, представленные в таблице №1.

Таблица 1

Этапы необходимые для подбора технологии переработки шлака, содержащего алюминий.

Переработка шлаков, полученных при производстве первичного алюминия, является актуальной задачей. Существуют различные методы переработки: механическая переработка, термическая переработка, химическая переработка и электролитическая. Выбор метода зависит от состава шлаков, требований к получаемым продуктам, а также производственной безопасности и экономической эффективности процесса.

Организация процесса переработка шлаков позволяет снизить экологическую нагрузку на все элементы биосферы и получить дополнительные ресурсы.

Список литературы:

1. Летков В.П., Сорокин Н.А. Переработка шлаков алюминиевых сплавов. "Цветные металлы", 1967, № 12, с.41-44
2. Окунев В.М. Переработка отвальных алюминиевых шлаков, образующихся при выплавке вторичных алюминиевых сплавов. В сб. "Вторичные цветные металлы", М., "Цветметинформация", 1971, с. 8492.
3. Окунев В.М., Гульдин И.Т., Базилевский В.М. и др. Переработка алюминиевых шлаков гидрометаллургическим методом. Там же с. 16-23.
4. Прокопов И. Герой нового времени. Алюминий в XXI веке // Металлы Евразии,- 2000.- №5,- с.46-49.
5. Давыдов В.Г. Современное состояние и некоторые актуальные проблемы исследования алюминиевых сплавов// Цветные металлы.- 1999.- № 8.- с. 49-53.
6.  Pawlek R.P. Secondary Aluminum Industry Annual Review // Light Metal Age.-August 2000. pp. 13-20.
7. The Aluminum Situation of the USA//ALUMINIUM.-76.Jahrgang.- 2000,-P.6-8.
8. Money in dross the black and white issue// Aluminium today. The international journal of aluminium production and processing.- April/May 1999.- p.22 - 24
9. Zeng D., Campbell S. Maximizing recovery of aluminum dross// ALUMINIUM.-76.Jahrgang.- 2000.- 'Л,- P.27-32.
10. Altenpohl Dietrich G. Aluminum: Technology, applications, and environment -Washington, D.C.- 1999.- 473 p.
11. Производство алюминия/ В.Г.Терентьев, Р.М.Школьников, И.С. Гринберг, А.Е. Черных, Б.И.Зельберг, В.И.Чалых. Иркутск, 1998 -350с.
12. Экология и утилизация отходов при производстве алюминия/ Г.В. Галевский, Н.М. Кулагин, М.Я.Минцис. Новосибирск: Наука. Сибирское предприятие РАН, 1996. - 146 с.
13. Металлургия вторичного алюминия: Уч.пособие для вузов/ Г.В. Галевский, Н.М. Кулагин, М.Я. Минцис. Новосибирск: Наука. Сибирское предприятие РАНД 988. -289 с.
14. Трушко В.Л., Утков В.А., Бажин В.Ю. Актуальность и возможности полной переработки красных шламов глиноземного производства // Записки Горного института. 2017. Т. 227. С. 547-553. doi: 10.25515/РМ1.2017.5.547
15. Шморгуненко Н.С. Корнеев В.И. Комплексная переработка и использование отвальных шламов глиноземного производства. М.: Металлургия, 1982. 129 с.
16. Окунев В.М., Гульдин И.Т., Базилевский В.М. и др. Переработка алюминиевых шлаков гидрометаллургическим методом. Там же с. 16-23.
17. Шлак производства алюминиевых сплавов из вторичного сырья сырье для огнеупорной промышленности/ Е.Н. Зедгинидзе, Н.С. Тер-Григорян// Огнеупоры и техническая керамика.- 1996,- №2,- с.24-26.
18. Schmidt H.D. Stirring Device in Rotary Drum Furnaces // ALUMINIUM.-76.Jahrgang.- 2000,-14 P.34.
19. Мельников Ю.А. Исследование и разработка эффективной технологии производства вторичных алюминиевых сплавов с использованием дисперсных видов сырья ВАМИ.- Автореф. Дис. . канд.техн.наук,- Санкт-Петербург. -1999.-16 с.
20. Линия Resoline по переработке алюминиевого шлака URL: https://erga.ru/catalog/pererabotka-metallurgicheskikh-shlakov/liniya-po-pererabotke-alyuminievogo-shlaka/ (дата обращения 03.02.2024).