Современное состояние переработки шлаков сталеплавильного производства

Цель – на основе анализа существующих способов переработки шлаков сталеплавильного производства, включая десульфурацию и дефосфорацию шлаков, оценить свойства и состав шлаков сталеплавильного производства. Для изучения химического состава исследуемых образцов шлака применялись методы атомноабсорбционного и оптико-эмиссионного анализов, для исследования микроструктуры – металлографический анализ. Изучены основные направления использования шлаков как в России, так и за рубежом. Показано, что основными направлениями утилизации шлаков сталеплавильного производства являются обезвреживание и обработка шлаков различными методами с последующим использованием в строительной и дорожной отраслях промышленности, а образующиеся фосфорсодержащие продукты – в сельском хозяйстве для замены суперфосфата. Также данные продукты можно использовать для снижения расхода извести и улучшения шлакообразования в сталеплавильном производстве. Выявлены факторы, сдерживающие многократное применение электросталеплавильного и конвертерного шлаков для рафинирования металла, среди которых основным является наличие в шлаках фосфора. По результатам проведенного анализа химического состава образцов шлака электросталеплавильного производства содержание железа составило 33,2% масс., кальция – 19,15% масс., фосфора – 0,33% масс., кремния – 5,39% масс. Железо находится в окисленной форме (FeO, Fe₂O₃ и Fe₃O₄), кремний и кальций присутствуют в виде двукальциевого силиката (2CaO∙SiO₂), фосфор представлен силикофосфатом кальция сложного состава – Ca₂(SiO₄)₆(Ca₃(PO₄)₂. Фосфор поступает в плавильные агрегаты с минералами пустой породы, агломератом, рудой и флюсами. При повторном использовании шлаков фосфор возвращается обратно в металл, тем самым загрязняя конечный продукт. Возможными направлениями извлечения фосфора из шлаков сталеплавильного производства являются методы магнитной и электростатической сепарации, гравитационного и флотационного обогащения, а также гидрометаллургические методы переработки.

1. Shamsuddin M. Steelmaking // Physical Chemistry of Metallurgical Processes, Second Edition. The Minerals, Metals & Materials Series. Сham: Springer, 2021. P. 237–292. https://doi.org/10.1007/978-3-030-58069-8_7.

2. Dildin A. N., Trofimov E. A., Chumanov I. V. Process improvement for liquidphase metal reduction from steelmaking dump slags // Indian Journal of Science and Technology. 2016. Vol. 9. Iss. 47. Р. 132–141. https://doi.org/10.17485/ijst/2016/v9i47/109067.

3. Glushakova O. V., Chernikova O. P. Influence of ferrous metallurgy enterprises on atmospheric air quality as an environmental component of sustainable development of territories. Report 1 // Steel in Translation. 2021. Vol. 51. P. 249–256. https://doi.org/10.3103/S0967091221040057.

4. Tyushnyakov S. N., Selivanov E. N. Electromagnetic technology to utilize zinc-containing slags of coppersmelting production and dusts of blast furnace and steelmaking production // Metallurgist. 2020. Vol. 64. P. 196–207. https://doi.org/10.1007/s11015-020-00984-z.

5. Mori K., Wada H., Pehlke R. D. Simultaneous desulfurization and dephosphorization reactions of molten iron by soda ash treatment // Metallurgical Transactions B. 1985. Vol. 16. P. 303–312. https://doi.org/10.1007/BF02679721.

6. Yugov P. I., Sarychev A. V., Baeva L. A. Dephosphorization of metal during the conversion of low-manganese pig iron in an oxygen converter // Metallurgist. 2001. Vol. 45. P. 379–381. https://doi.org/10.1023/A:1017976123785.

7. Шейченко М. С., Лесовик В. С., Алфимова Н. И. Композиционные вяжущие с использованием высокомагнезиальных отходов Ковдорского месторождения // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. 2011. № 1. С. 10−14.

8. Лесовик В. С., Загороднюк Л. Х., Шахова Л. Д. Техногенные продукты в производстве сухих строительных смесей. Белгород: Изд-во БГТУ им. В. Г. Шухова, 2011. 196 с.

9. Панфилов М. И., Школьник Я. Ш. Переработка шлаков и безотходная технология в металлургии. М.: Металлургия, 1987. 238 с.

10. Рояк С. М., Пьячев А. В., Школьник Я. Ш. Структура доменных шлаков и их активность // Цемент. 1978. № 8. C. 4–5.

11. Patent no. 9650688, United States of America. Method of recovering Fe from steel–making slag / Il. Sohn, Sung Suk Jung; no. 14/228,815. Filed 28.03.2014; publ. 16.05.2017.

12. Сергеев Д. В., Чуманов В. И., Дильдин А. Н., Трофимов Е. А., Чуманов И. В. Пирометаллургическое восстановление компонентов шлака со шлаковых отвалов сталеплавильного производства // V Международная конференция-школа по химической технологии ХТ’16. Сателлитная конференция ХХ Менделеевского съезда по общей и прикладной химии (г. Волгоград, 16–20 мая 2016 г). Волгоград: Изд-во ВолгГТУ, 2016. С. 345–347.

13. Shatokhin I. M., Kuz’min A. L., Smirnov L. A., Leont’ev L. I., Bigeev V. A., Manashev I. R. New method for processing metallurgical wastes // Metallurgist. 2017. Т. 61 No. 7-8. 523–528. https://doi.org/10.1007/s11015-017-0527-4.

14. Гимуранова Е. В., Омельчук А. А. Исследование процессов жидкофазного восстановления шлаков сталеплавильного производства в лабораторных условиях // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Серия: Машиностроение, материаловедение. 2017. Т. 19. № 3. С. 139–150. https://doi.org/10.15593/2223-9877/2017.3.08.

15. Пат. № 2226220, Российская Федерация, С2, МПК C22B7/04. Способ переработки шлаков от производства стали / А. Эдлингер; заявитель и патентообладатель «Хольдербанк» Финансьер Гларус АГ. 2001101876/02. Заявл. 14.04.2000, опубл. 27.03.2004. Бюл. № 9.

16. Patent no. 9469885, United States of America, B2, C22B7/04. Method and apparatus for recovering valuable metals from slag and manufacturing multifunctional aggregate / Joonseong Ki, Jinill Hwang. Filed 29.03.2012; publ. 17.09.2013.

17. Patent no. 8211206, United States of America, B2, C22B7/04. Processing metallurgical slag / А. Mecchi. Filed 16.10.2008; publ. 03.07.2012.

18. Dosmukhamedov N., Egizekov M., Zholdasbay E., Kaplan V. Metal recovery from converter slags using a sulfiding agent // JOM. 2018. Vol. 70. Р. 2400–2406. https://doi.org/10.1007/s11837-018-3093-8.

19. Cui Su Ping, Wang Xue Li, Wang Jian Feng, Liu Hui. Extraction of the RO Phase from Steel Slag // Materials Science Forum. 2017. Vol. 898. Р. 2470–2475. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.898.2470.

20. Дюдкин Д. А., Кисиленко В. В. Производство стали // Внепечная обработка жидкого чугуна. Т. 2. М.: Издво «Теплотехник», 2008. 400 c.

21. Журавлев В. М., Югов П. И., Есипенко И. И. Новая технология десульфурации чугуна с многократным использованием вторичного металлургического сырья // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2000. № 1. С. 52–53.

22. Поживанов М. А. Внепечная металлургия чугуна. Киев: Изд-во ФТИМС НАНУ, 2006. 78 с.

23. Дильдин А. Н., Чуманов И. В., Чуманов В. И., Еремяшев В. Е., Трофимов Е. А., Кирсанова А. А. Жидкофазное восстановление отходов сталеплавильного производства // Металлург. 2015. № 11. С. 34–38.

24. Шаповалов Н. А., Загороднюк Л. Х., Тикунова И. В., Шекина А. Ю. Рациональные пути использования сталеплавильных шлаков // Фундаментальные исследования. 2013. № 1-2. С. 439–443.

25. Панковец А. И., Мироевский С. В. Утилизация электросталеплавильных шлаков // Литье и металлургия. 2013. № 1. С. 26–27.

26. Patent no. 6334885, United States of America, B1. Method of solidifying steel-making slag and material produced by the method / Y. Fukushima, H. Matsunaga, H. Tobo, M. Nakagawa, M. Takagi, M. Kumagai. 2002. Filed 13.10.1999; publ. 01.01.2002.

27. Хаматова А. Р., Хохряков О. В. Электросталеплавильный шлак ОАО «Ижсталь» для цементов низкой водопотребности и бетонов на их основе // Известия Казанского государственного архитектурностроительного университета. 2016. № 2. С. 221–227.

28. Tsakiridis P. E., Papadimitriou G. D., Tsivilis S., Koroneos C. Utilization of steel slag for Portland cement clinker production // Journal of Hazardous Materials. 2008. Vol. 152. Iss. 2. P. 805–811. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2007.07.093.

29. Patent no. 201610570916, China, XA. Mixed slag smelting reduction production and thermal refining method / Chzhan Wu. Filed 18.07.2016; publ. 04.05.2018.

30. Patent no. 6391086, United States of America, B1. Method for the use of electric steel plant slag for selfreducing agglomerates / М. Albuquerque Contrucci, E. S. Marcheze. Filed 20.03.2001; publ. 30.10.2002.

31. Patent no. 6033467, United States of America, А. Method of making cement or mine backfill from base metal smelter slag / D. Krofchak. Filed 8.05.1998; publ. 07.03.2000.

32. Patent no. 5944870, United States of America, А. Method of manufacturing pig iron or steel and cement clinker from slags / A. Edlinger. Filed 07.02.1995; publ. 07.02.2016.

33. Юнг В. Н. Технология вяжущих веществ. М.: Гос. изд-во лит-ры по строительным материалам, 1952. 560 с.

34. Ласкорин Б. Н. Проблемы развития безотходных производств. М.: Изд-во «Стройиздат», 1981. 207 с.

35. Лесовик В. С., Агеева М. С., Иванов А. В. Гранулированные шлаки в производстве композиционных вяжущих // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова. 2011. № 3. С. 29−32.

36. Patent no. 4225565, United States of America, А. Process for treating waste slags / K. Marukawa, S. Okamoto, K. Yamada, M. Iba. Filed 30.09.1980; publ. 25.01.1999.

37. Patent no. 3275848, Japan, A4. Method for recovering calcium-containing solid component from steelmaking slag and recovered solid component / Ya. Fukui, A. Asaba, S. Matsuo, M. Yamamoto. Filed 16.03.2016; publ. 17.10.2018.