МЕТАМОРФОЗЫ КРАСНОГО ШЛАМА

Не так давно в Свердловской области отмечали 310-летие уральской металлургии. Дата, конечно, славная, но у нее есть и «оборотная» сторона. За три с лишним века развития металлургической промышленности на Урале накопились сотни миллионов тонн отходов, включая вскрышные горные породы, отвалы обогатительных фабрик, отходы металлургических переделов. Одной из самых серьезных проблем стало накопление токсичных отходов алюминиевого производства — красных шламов. На российских предприятиях их ежегодно складируют более 10 миллионов тонн, а утилизируется не более 5%.
О проблемах и перспективах переработки красных шламов мы поговорили с директором Института металлургии УрО РАН доктором технических наук Е.Н. Селивановым. Для начала я попросила Евгения Николаевича обрисовать общую ситуацию на мировом и российском рынках алюминия.
— Сегодня мировое производство алюминия достигает 50 миллионов тонн в год. Исходное сырье для этого — бокситы, в ходе металлургической переработки которых (способами Байера и спекания) выделяют глинозем, а затем электролизом — «крылатый» металл. Россия выпускает его свыше 3 миллионов тонн в год на заводах Сибири, Урала и других регионов. Среди предприятий, выпускающих алюминий, только уральские обеспечены собственным отечественным сырьем. В этом есть свои преимущества и недостатки. Заводы не зависят от внешних источников сырья, но в ходе переработки бокситов образуется от одной до полутора тонн красного шлама на каждую тонну глинозема. На уральских предприятиях «производится» 1,5 миллиона тон красного шлама ежегодно.— В чем вред этих отходов для окружающей среды?
— Красные шламы весьма опасны из-за их высокой дисперсности и остаточной щелочности. Это едкая пульпа, которую трудно высушить и невозможно перевезти. Поэтому ее направляют в шламохранилища, которые занимают огромные территории и быстро заполняются, ведь особенности технологического процесса извлечения алюминия таковы, что на выходе получается гораздо больше красного шлама, чем цветного металла. Мало того, что из хозяйственного оборота выводятся большие площади плодородных земель. Проникая в почву и водные стоки, шламы загрязняют их соединениями щелочных металлов, а постепенно высыхая, начинают пылить. Аварии на шламохранилищах приводят к настоящим техногенным катастрофам. В 2010 году на заводе в Венгрии прорвало дамбу шламохранилища, и 700 тысяч кубометров едкого вещества затопили грязевым потоком города Колонтар и Дечевер, в реке Маркал погибло все живое, красный шлам доплыл даже до Дуная.
Эта общемировая проблема исключительно актуальна для Урала, где работают два крупных алюминиевых завода РУСАЛа — Богословский в Краснотурьинске и Уральский в Каменске-Уральском. Сегодня на Уральском алюминиевом заводе ведется строительство новой карты шламоотвала — это требует больших капиталовложений. Перспективный вариант решения проблемы — это разработка технологий переработки шлама и внедрение их в производство.
— Но все-таки можно перевести отходы алюминиевого производства из категории техногенных отвалов в категорию техногенных месторождений? Есть в них что-то ценное?
— Безусловно. В шламах довольно много оксида железа — до 35%, больше, чем в некоторых видах железных руд, и этим, кстати, объясняется их красный цвет. Есть оксиды редких металлов — титана, ванадия, скандия. Это, так сказать, плюсы. А минусы — остаточная щелочность, большое количество оксида алюминия и кремния, а также примеси серы, фосфора, присутствие которых затрудняет использование красных шламов в черной металлургии. На сегодняшний день известны варианты частичного использования шламов для изготовления красок и коагулянтов. Но объемы таких производств не идут ни в какое сравнение с масштабами отходов — на эти цели можно использовать лишь 1%. Выход один — организовать крупномасштабную промышленную переработку красного шлама.
— А в чем трудности? Нет технологий?
— Технологии как раз создаются, в том числе и в нашем институте. Главная проблема — низкий уровень рентабельности утилизации красных шламов. Правда, сегодня в этой сфере сходятся интересы цветной металлургии, которая «производит» отходы, и черной металлургии, для которой они могут служить сырьем. Из-за роста стоимости руды востребовано более дешевое сырье, а дефицит стального лома заставляет искать альтернативные источники металлошихты для сталеплавильных предприятий. Есть спрос и на концентрат для производства редкоземельных металлов, а также на сырье, пригодное для получения цементов и других стройматериалов.
Сегодня есть два варианта переработки красных шламов: их либо готовят к металлургической переработке путем обесщелачивания и сушки, а затем используют в качестве добавки при производстве чугуна в доменных печах, либо из подготовленного шлама выплавляют чугун или ферросилиций в самостоятельном агрегате, а шлак используют для производства цемента. Оба варианта имеют преимущества и недостатки, которые сдерживают их внедрение на предприятиях и требуют масштабных исследований, обосновывающих каждый из технологических переделов.
Вообще-то разработка технологии — дело отраслевой науки, но ее, как известно, в России почти не осталось. В рамках государственно-частного финансирования наш институт и компания «РУСАЛ» провели исследования по комплексной переработке красных шламов, а нашими партнерами в этом проекте были Институт химии твердого тела УрО РАН, Московский институт стали и сплавов, Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, Уралмеханобр и Уралпромэнергопроект.

Безотходный вариант
О разработанной уральскими учеными-металлургами комплексной безотходной технологии утилизации красных шламов рассказал зав. лабораторией пирометаллургии черных металлов ИМЕТ доктор технических наук Олег Юрьевич Шешуков:
— Наша технология позволяет производить из отходов алюминиевого производства железосодержащий промпродукт, чугун (передельный и литейный), ферросилиций, глиноземсодержащие сырьевые материалы для черной, цветной металлургии и стройиндустрии, а также извлекать оксид скандия.
Но первое, что нужно сделать с красным шламом — провести его обесщелачивание и обезвоживание. На Уральском алюминиевом заводе в Каменске-Уральском для этого уже создана промышленная установка. В результате содержание щелочи в красном шламе снижается с 2 до 0,4%, а влаги — с 50 до 15%. Подготовленный таким образом шлам можно перевозить любым транспортом и использовать в дальнейшем как добавку в шихту для получения железосодержащих агломерата и окатышей, благодаря чему можно заменить применяемый сейчас дорогостоящий бентонит. Соответствующие исследования мы провели совместно с сотрудниками «Уралмеханобра». Конечно, все не так просто. Во-первых, чтобы вводить такую добавку, нужно специальное дозирующее оборудование, и затраты на него предприятия не всегда считают оправданными, а во-вторых, даже в подготовленном красном шламе содержатся сера и фосфор. Опытно-промышленные испытания на Качканарском ГОКе показали перспективность использования обесщелоченного красного шлама для частичной замены бентонита. Но чтобы разработать оптимальные технологии, нужно продолжить исследования и досконально изучить свойства и структуру содержащихся в шламах минералов.
Другое направление пирометаллургической утилизации красных шламов — производство чугуна (передельного и литейного), ферросилиция (с содержанием кремния 15–20%), глиноземсодержащих сырьевых материалов для черной и цветной металлургии, а также стройиндустрии. Для этого нужно провести обжиг обесщелоченного красного шлама во вращающейся печи с добавками коксика, известняка и, в случае необходимости, некондиционного боксита для получения клинкера нужного состава. И тут может быть два варианта. Если целью переработки красного шлама является получение клинкера, пригодного для изготовления портландцемента и металлизованного промпродукта, то ведется восстановительный обжиг. Клинкер подвергают дроблению, как в технологии получения цемента, и затем продукты разделяются методом магнитной сепарации. При этом в цемент переходят вредные примеси без ухудшения его свойств, а металлизованный промпродукт пригоден для сталеплавильного производства. Процесс проходит в одном агрегате, поэтому затраты энергии минимальны.
Если же целью переработки является получение передельного или литейного чугунов (ферросилиция) и алюмокальциевых шлаков, то обжиг ведется на клинкер, который в дальнейшем направляют в руднотермическую печь на восстановительную плавку.
В нашей лаборатории разработана программа математического моделирования отдельных процессов и технологии в целом, которая позволяет сравнивать различные технологические решения. Благодаря гибкости предлагаемой технологической схемы можно оперативно реагировать на текущие потребности рынка в производстве черных металлов и материалов для стройиндустрии.

Источник ценностей
Технологию извлечения из красного шлама скандия и иттрия разработали сотрудники лаборатории химии соединений рассеянных редких элементов ИХТТ УрО РАН, которую возглавляет доктор технических наук Наиль Аделевич Сабирзянов. По его словам, скандий — вообще редкий металл, а в последние десятилетия в России он стал супердефицитным. Раньше скандий попутно добывали из урановых руд, но после распада СССР это производство осталось в выделившихся из него странах — в Казахстане и Узбекистане. Сегодня цена на оксид скандия поднялась до 5,5 тыс. долларов за килограмм. Месторождений скандия в России нет, зато есть вторичное сырье, из которого его можно извлечь. Красные шламы — самый богатый техногенный источник скандия. К тому же это сырье не нужно добывать — красный шлам, как уже говорилось, в огромных количествах образуется на глиноземных заводах.
Скандий — уникальная легирующая добавка к алюминиевым сплавам, повышающая их прочность, коррозионную стойкость, способность к свариванию. Благодаря этому можно получать цельносварные конструкции, совершенствовать технологию изготовления штамповок из алюминия. Такая продукция востребована в высокотехнологичных отраслях — в автомобилестроении, в оборонной и аэрокосмической промышленности, в нефтегазовом комплексе. При добавлении этого редкоземельного металла в никель-стальные сплавы, используемые в конструкциях ядерных реакторов, резко повышаются их эксплуатационные характеристики, что предотвращает их распухание и растрескивание в условиях нейтронного облучения.
Не менее ценный металл — иттрий, месторождения которого также остались в Узбекистане. Иттрий представляет интерес для электротехнической промышленности: если алюминиевые провода легировать иттрием, их прочность повысится, уменьшится риск обрывов, реже можно ставить опоры электропередач, а поскольку снижается удельное сопротивление, уменьшаются потери электричества.
Ученые ИХТТ разработали гидрохимическую технологию переработки красного шлама. Это комплекс методов, включающих растворение, разделение, осаждение. На выходе получают концентраты скандия и иттрия, а также побочные продукты — алюмо-железные соли, которые служат коагулянтами для очистки промышленных стоков, и продукты для изготовления цементных смесей. А еще можно доивзлечь глинозем. На сегодняшний день получены концентраты скандия, готовые к переработке в чистый оксид этого металла.
Уже несколько лет на Богословском алюминиевом заводе действует опытно-промышленная установка для излечения скандия, изготовленная ООО «Техногория» (Санкт-Петербург) на средства частных инвесторов. Здесь созданная академическими учеными технология отрабатывается в промышленных условиях. По словам гендиректора фирмы, кандидата химических наук И.Н. Пягая, в агрегат помещается до 60 кубометров красного шлама, а за одну смену перерабатывается 5 тонн этих отходов.
Чтобы этот процесс приобрел по-настоящему промышленный масштаб, нужно построить специально оборудованные цеха, организовать лабораторию для технологического контроля. Руководство компании РУСАЛ то проявляет интерес к оригинальной разработке, то охладевает. Рассчитывать на финансирование из бюджета Свердловской области тоже не приходится. Однако ученые и их партнеры, взявшиеся за коммерциализацию уникальной технологии, продолжают ее продвижение.

Е. ПОНИЗОВКИНА
На фото: директор Института металлургии УрО РАН доктор технических наук Е.Н. Селиванов (фото С. НОВИКОВА)
коллектив лаборатории пирометаллургии черных металлов;
резервуар пилотной установки для извлечения скандия.