Специалисты из Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН совместно с коллегами из НИТУ «МИСиС», МГУ и КузГТУ придумали новый способ утилизации опасных отходов алюминиевой промышленности — красного шлама, с получением из него специального сорта чугуна.
Красный шлам — вид высокотоксичных отходов, образующихся при производстве алюминия. По сути, это побочный продукт производства глинозёма из бокситов. Ежегодно во всём мире образуются сотни миллионов тонн этого материала. Накопление и хранение красного шлама опасно для экологии и это одна из основных проблем в алюминиевом производстве.
Методы хранения красного шлама
Шламохранилища — это искусственно созданные водоёмы, обнесённые дамбами, куда сливается шлам. Подразделяются на сухие и мокрые.
- Мокрое хранение: шлам разбавляется водой и подаётся в хранилище по трубопроводам. Этот метод дешевле, но занимает больше места и повышает риск прорыва дамб.
- Сухое хранение: шлам обезвоживается и укладывается слоями в хранилище. Этот метод дороже, но занимает меньше места и снижает риск загрязнения грунтовых вод.
- Сухое складирование: шлам обезвоживается и складируется в виде штабелей на специально подготовленных площадках. Этот метод минимизирует риск загрязнения воды, но требует значительных затрат на подготовку площадок и обработку пыли.
К примеру, авария, которая произошла в 2010 году на алюминиевом заводе в городе Айка в Венгрии, показала, насколько велики эти риски. Разрушение плотины, ограждавшей шламохранилище, привело к разливу ядовитых отходов на площади около 40 квадратных километров. Тогда властям пришлось эвакуировать жителей трёх населённых пунктов, в реке, куда попал шлам, погибло десять человек, более 150 получили травмы и ожоги. Сотни домов были разрушены или серьёзно повреждены. Была уничтожена флора и фауна, а через несколько дней после катастрофы красный поток достиг Дуная.
Чему угрожает красный шлам?
- Вода: щелочная природа шлама и наличие в нём токсичных металлов могут привести к загрязнению поверхностных и грунтовых вод в случае прорыва дамб или выщелачивания из хранилищ.
- Почва: прорыв дамб или пыль, поднимаемая ветром, могут загрязнять почву, делая её непригодной для сельского хозяйства.
- Воздух: сухой шлам может подниматься в воздух в виде пыли, вызывая респираторные заболевания и другие проблемы со здоровьем у людей, живущих вблизи хранилищ.
- Опустынивание: большие площади занимаются под хранилища, что приводит к уничтожению естественных экосистем и способствует опустыниванию.
- Риск катастроф: прорыв дамб шламохранилищ может привести к катастрофическим последствиям, таким как затопление населённых пунктов.
При этом красный шлам обладает значительным потенциалом для повторного использования и переработки. Исследования в этой области активно проводятся во всём мире.
Из-за ценных металлов, находящихся в красном шламе, его уже называют новым техногенным сырьём, которое лежит мёртвым грузом в прудах-шламохранилищах.
Авария на алюминиевом заводе в Венгрии — экологическая катастрофа , произошедшая 4 октября 2010 года на крупном заводе по производству глинозёма
Ведь красный шлам — это сложное многокомпонентное вещество, состоящее в основном из оксидов железа (окрашивающих его в красный цвет), алюминия, кремния, титана, кальция, а также редкоземельного металла скандия. Получается в процессе Байера, при котором бокситовая руда обрабатывается горячим раствором едкого натра для извлечения алюминия. Остаток, нерастворимый в щёлочи, и есть красный шлам.
Превращение красного шлама из экологической угрозы в ресурс позволит не только решить проблему его хранения, но и снизить нагрузку на окружающую среду от горнодобывающей промышленности в целом.
На алюминиевых заводах России накоплено около 600 миллионов тонн красного шлама и его количество с каждым днём только увеличивается.
Учёные из Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН совместно с коллегами из НИТУ «МИСиС», МГУ и КузГТУ придумали способ переработки красного шлама с получением из него чугуна специального состава, используемого для изготовления изложниц — ёмкостей для разливки металла.
Внедрение этого способа позволит переработать большую часть накопленных объёмов красных шламов в цикле чёрной металлургии. Эксперты подчёркивают, что новая технология значительно снизит количество этих отходов на шламополях.
«Распространённым подходом для переработки красных шламов является их плавление в смеси с углеродом и известью при высоких температурах с получением чугуна. Данный метод является труднореализуемым за счёт наличия в шламе щёлочи, которая приводит к разрушению плавильных печей, — приводятся в пресс-релизе института слова одного из авторов исследования младшего научного сотрудника ИМЕТ РАН Дмитрия Зиновеева. — В нашей работе мы использовали для плавки шлам после удаления из него щёлочи, которую можно вернуть в цикл производства алюминия. Другим важным отличием нашей технологии является использование экстремально высоких температур — более 1700 градусов Цельсия, что позволяет получать чугун со специальными свойствами».
В полученном чугуне содержится больше 1,5% карбида титана, придающего ему высокую прочность, а также около 1% фосфора, который образует легкоплавкие соединения, что существенно улучшает текучесть нового сплава.
В Венгрии в результате разрушения плотины хвостохранилища произошла утечка приблизительно 700 тысяч м³ токсичного красного шлама
«В данном исследовании нам удалось получить уникальный химический состав чугуна, сочетающий высокую прочность и хорошую текучесть. Чугуны похожего состава используются на заводе "Евраз", однако для их производства применяют дорогостоящие добавки ферросплавов. В нашем случае мы используем отход, в котором есть все необходимые элементы, поэтому можно получать "природнолегированный чугун". Внедрение этой технологии не только снизит производственные издержки, но и поможет продвинуться в сторону безотходного глинозёмного производства», — объясняет руководитель проекта, кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИМЕТ РАН Дмитрий Валеев. Подробное описание технологии приводится в журнале Metals.
Помнить об аварии в Айке — значит чтить память жертв и делать всё возможное, чтобы подобное никогда не повторилось. Трагедия в Венгрии заставила пересмотреть существующие нормы и стандарты, а также подстегнула интерес к разработке и внедрению технологий переработки красного шлама для уменьшения объёмов отходов и снижения рисков, связанных с его хранением. На фоне дефицита во всём мире редкоземельных металлов красный шлам теперь превратился в ценный ресурс, за разработку которого разгорается гонка среди ведущих научных школ по всему миру.
Егор Петров
