Краткое описание

Развитие технологий в материалоемких отраслях (теплоэнергетики, металлургии, добычи и переработки горнорудного сырья) показывает, что в силу их ведомственной принадлежности сырье перерабатывается только с учетом необходимой потребности отрасли в конкретной продукции. Рост производства в этих отраслях, несовершенство технологических процессов приводит как к истощению минеральных и энергетических ресурсов, так и к накоплению огромного количества техногенных продуктов и обострению экологической обстановки. В настоящее время накоплено более одного миллиарда тонн энергетических зол бурых углей, не считая отходов черной металлургии и горнодобывающей промышленности. В России уровень утилизации золошлаковых отходов не превышает 5%. Это связано с высоким содержанием свободного оксида кальция, неоднородностью фракционного состава. Современные способы минимизации влияния свободного оксида кальция (автоклавная обработка, механоактивация) требуют привлечения оборудования высокого давления и значительных энергетических затрат.
Другим ограничением широкого использования техногенного сырья (ТС), основные компоненты которого CaO, SiO2, А12О3, MgO, Fe2O3, является его переменный химический и фазовый состав, а также наличие примесей переходных металлов: соединений железа, марганца, хрома. Материалы, полученные из такого неоднородного, железосодержащего сырья, в процессе эксплуатации, например, при нагревании, претерпевают структурные изменения, связанные с фазовыми переходами, в частности, соединений железа, что приводит к изменению механических и деформационных свойств материалов: разрушению и усадочным явлениям. Таким образом, при переработке ТС исключается возможность получения высоких эксплуатационных свойств (механических, диэлектрических, оптических, термических) товарной продукции в сравнении со свойствами материалов, полученных из чистых окислов.
Требования к чистоте применяемых компонентов сырья при получении таких высокотехнологичных материалов, как:
   - оптически прозрачные ситаллы с низким значением ТКЛР;
   - термостойкая керамика, пенокерамика и волокнистые высокотемпературные материалы;
   - материалы с заданной кристаллографической структурой - очень высоки.
В производстве их используются либо чистые окислы, либо обогащенное сырьё. Актуальной является проблема получения аналогичных кальцийалюмосиликатных материалов из техногенного сырья.
В этих условиях разработка новых безотходных технологий, обеспечивающих высокую степень извлечения всех ценных компонентов в товарную продукцию, стабилизацию состава и полное использование силикатной части отходов, в том числе, для получения высокотехнологичной продукции, приобретает первостепенное значение.
Единой методической основой технологии являются:
   - глубокое восстановительное плавление сырья с разделением расплава на металлическую и силикатную части;
   - специальная подготовка последней для образования нового продукта стабильного состава (пеносиликата);
   - использование энергии фазового перехода «аморфное состояние — кристаллическое» пеносиликата для получения материалов с заданными свойствами.
В качестве опытных объектов использовались золошлаковые отходы от сжигания углей Канско-Ачинского, Экибастузского, Кузнецкого бассейнов; металлургические и мартеновские шлаки; шлаки ферросплавных заводов; отходы добычи и переработки горнорудного сырья. В результате переработки силикатной части получается новый продукт — пеносиликат и материалы на его основе, а также дополнительная продукция - волокнистые высокотемпературные материалы, ферросплавы, оксид алюминия.
Методы исследований расплавов: электровибрационный (вязкость), двухэлектродный контактный (электропроводность). Структурные особенности полученных новых материалов исследовались методами РФА, ЭПР, ИК-спектроскопии. Макроструктура исследована методами растровой электронной и оптической микроскопии. Коэффициент пропускания — методом спектрофотометрии. ТКЛР — методом дилатометрии в широкой области температур. Твердофазные взаимодействия - методом термогравиметрии в сочетании с ДТА. Составы исходного сырья, промежуточных и конечных продуктов — методами петрографического, минералогического, химического анализов.
В результате разработана уникальная, защищенная 15-ю патентами (РФ, США, Мексика), технология глубокого постадийного восстановительного плавления техногенных отходов, выделения металлической и стабилизации состава силикатной частей расплава. Разработан механизм и режимы процессов на разных стадиях восстановления. Определены условия образования и равномерного распределения карбидов кремния и кальция в силикатной части расплава.
При создании новых способов получения высокотехнологичных продуктов на основе пеносиликата используется явление самораспространяющейся волны кристаллизации пеносиликата за счет энергии фазового перехода «аморфное состояние — кристаллическое».
С помощью данной технологии из бросовых техногенных отходов возможно получение материалов (огнеупорной конструкционной и теплоизоляционной керамики и пенокерамики, синтетического р-волластонита) с заданными свойствами, основывающиеся на использовании фронта тепловой волны самораспространяющейся кристаллизации пеносиликата.
Разработаны способы получения на основе пеносиликата оптически прозрачных си-таллов с низким значением ТКЛР, негорючих теплоизоляционных строительных материалов.
Создан универсальный комплекс безотходной переработки ТС, не имеющий аналогов в мировой практике, прошедший опытно-промышленные испытания, способный стать модулем существующих технологических схем производств теплоэнергетики, металлургии, добычи и переработки горнорудного сырья. Разработаны новые способы получения из ТС высокотемпературных (до 1273 К) минеральных волокон, оксида алюминия, не содержащего вредных примесей железа и титана, ферросплавов.
Практическая значимость. Для большинства техногенных золошлаковых и металлургических отходов может быть создан универсальный комплекс безотходной переработки ТС, имеющий энерго-, ресурсосберегающий эффект; высокую природоохранную значимость; способный стать модулем отходообразующих производств; открывающий широкие возможности формирования новых сырьевых ресурсов (ТС) для производства товарных продуктов с заданными свойствами.
Продукция на основе пеносиликата:
    - конструкционная и теплоизоляционная керамика и пенокерамика с заданной кристаллографической структурой анортита, геленлта, р—волластонита, а—фазы (псевдоволласто-нита) и температурой использования 1373-1473 К;
    - прозрачные ситаллы с оптическими, механическими и термическими свойствами, не уступающими свойствам дорогостоящего кварца.
Дополнительная товарная продукция из ТС:
    - негорючая звуко- и теплоизоляционная засыпка в строительстве, заполнитель при изготовлении теплоизоляционных изделий и газобетона неавтоклавного твердения для стройиндустрии;
    - материал, поглощающий вредные выбросы фтористого водорода, при производстве алюминия;
    - оксид алюминия без вредных примесей железа и титана из алюминийсодержащего ТС;
    - ферросплавы — силико-марганец и ферросилиций, в зависимости от содержания марганца, железа и кремния в ТС;
Комплекс по переработке ТС успешно прошел опытно-промышленные испытания. Объем полученного в процессе испытания пеносиликата составил 30000 м3.
В соответствии с разработанным «Технологическим регламентом опытной комплексной переработки мартеновских шлаков» Новосибирским ОАО «Сибэлектротерм» выполнен проект и изготовлена промышленная электропечь РЮ-4-И2 с расчетной производительностью по сплаву железа 1285 т/год, по пеносиликату 64260 м /год для комплексной безотходной переработки шлаков металлургических производств, ТЭЦ и ГРЭС.
В соответствии с разработанным «Технологическим регламентом опытного производства пеносиликата и силикомарганца из шлаков Запорожского ферросплавного завода» ОАО «Сибэлектротерм» выполнен проект промышленной электропечи РКЗ-2,5СК—Ш с расчетной производительностью по силикомарганцу 153 т/год, по пеносиликату -17100 м3/год для комплексной переработки шлаков.
На основании разработанного способа комплексной переработки ТС Красноярским отделением ВО «ВНИПИЭТ» выполнен проект строительства комплекса золопереработки с цехом производства пеноматериала мощностью 1700 м3/сутки и цехом производства теплоизоляционных плит мощностью 530 м'/сутки.
Данная технология новых способов переработки ТС позволяет не только обеспечить эффективное и экономически выгодное использование минеральных ресурсов с получением востребованной продукции, конкурентоспособной на мировом рынке, но и снизить энергоемкость, повысить производительность труда, вовлечь в переработку ТС, а также существенно улучшить экологическую обстановку в промышленных регионах.