Инженерная экология, рециклинг металлов и деформированных сплавов

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ИНЖЕНЕРНАЯ ЭКОЛОГИЯ, 
РЕЦИКЛИНГ МЕТАЛЛОВ  
И ДЕФОРМИРОВАННЫХ СПЛАВОВ 
 
Монография
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2021 
 

УДК 669.05 
ББК 34.31 
 
И62 
 
 
Авторы: 
Р. Л. Шаталов, П. И. Черноусов, Е. А. Максимов, О. В. Голубев 
Рецензенты: 
профессор, доктор технических наук А. Н. Пыриков, 
профессор, доктор технических наук И. Г. Роберов 
 
 
 
 
 
 
И62  
Инженерная экология, рециклинг металлов и деформированных 
сплавов : монография / >Р. Л. Шаталов и др.@  Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2021. - 460 с.  
 
ISBN 978-5-9729-0543-0 
 
Рассмотрены  источники образования твердых бытовых и промышленных  
отходов и их классификация. Изложены традиционные методы утилизации от- 
ходов, а также новый метод утилизации в мартеновских печах. Раскрыты тех- 
нологические аспекты обращения с отходами с позиций экологии, ресурсосбе- 
режения, рециклинга. Предложена методика определения мощности техноген- 
ных  месторождений  в  металлургических  регионах.  Рассмотрены  особенности  
рециклинга вторичных ресурсов нового поколения: автомобилей, электронных  
и электробытовых приборов.  
Для  инженеров  и  научных  работников,  специализирующихся  в  области  
экологии и рециклинга металлов. Может быть полезно студентам технических  
специальностей. 
 
УДК 669.05 
ББК 34.31 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0543-0 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
Предисловие ....................................................................................................... 7 
Принятые сокращения 
................................................................................... 11 
Глава 1. Виды и состав отходов производства и потребления .............. 13 
1.1. О реализации положений Киотского протокола и вступления  
РФ в ВТО 
....................................................................................................... 13 
1.2. Анализ компонентного состава твердых бытовых отходов  
(ТБО) .............................................................................................................. 13 
1.3. Виды отходов промышленных предприятий ..................................... 17 
Глава 2. Традиционные способы обезвреживания, утилизации  
и ликвидации отходов .................................................................................... 18 
2.1. Критерии выбора метода и места размещения сооружений  
обезвреживания и утилизации ТБО ............................................................ 18 
2.2. Технология сбора, транспортирования и складирование ТБО  
на полигоне .................................................................................................... 21 
2.2.1. Санитарная засыпка ........................................................................ 27 
2.2.2. Компостирование ............................................................................ 27 
2.2.3. Технология рекультивации территории закрытых  
полигонов 
................................................................................................... 28 
Глава 3. Технологические основы подготовки и переработки  
ТБО 
..................................................................................................................... 31 
3.1. Измельчающее оборудование 
............................................................... 33 
3.2. Аэросепарация 
........................................................................................ 38 
3.3. Магнитная сепарация 
............................................................................. 41 
3.4. Электросепарация .................................................................................. 43 
3.5. Сжигание 
................................................................................................. 48 
3.5.1. Сжигание ТБО в решетчатых камерных печах 
............................ 48 
3.5.2. Сжигание ТБО в кипящем слое ..................................................... 52 
3.6. Пиролиз твердых бытовых отходов ..................................................... 56 
3.6.1. Высокотемпературный пиролиз .................................................... 60 
3.6.2. Метод пиролиз-газификации с использованием  
обогащенного кислородом дутья 
............................................................. 62 
3.7. Переработка ТБО в печи Ванюкова ..................................................... 64 
3.8. Переработка ТБО в доменной печи 
...................................................... 74 
3.9. Переработка ТБО в кислородном конвертере 
..................................... 77 
3.10. Утилизация и обработка отходов резины  
и резинотехнических изделий 
...................................................................... 79 
3.11. Переработка отходов шинной промышленности ............................. 80 
3.12. Рециклинг отходов пластмасс и полиэтиленовой пленки ............... 86 
3.13. Переработка отходов гидролизного производства 
........................... 91 
3.14. Переработка отходов целлюлозно-бумажных комбинатов ............. 91 
3.15. Переработка отходов древесины ........................................................ 92 
3.16. Переработка макулатуры 
..................................................................... 93 
 
3

3.17. Переработка отходов лакокрасочных материалов ........................... 94 
Глава 4. Основные закономерности рециклинга 
металлургических железосодержащих отходов ........................................ 96 
4.1. Процесс образования окалины при прокатке 
...................................... 96 
4.2. Способы удаления поверхностных дефектов и окалины  
с поверхности проката ................................................................................ 100 
4.3. Модернизация окалиноломателей и дрессировочной клети  
линий НТА с использованием процесса прокатка-волочение ............... 109 
4.4. Утилизация замасленной окалины ..................................................... 114 
4.5. Перспективы развития брикетирования ............................................ 121 
4.6. Расчет параметров прессования железосодержащих отходов ........ 126 
4.7. Основные технологические схемы прессования брикетов 
для рециклинга ............................................................................................ 133 
4.8. Экспериментальное исследование холодного брикетирования  
железосодержащих отходов предприятий черной металлургии 
............ 147 
4.9. Классификация дефектов структуры брикетов при холодном  
прессовании ................................................................................................. 151 
4.10. Рециклинг железосодержащих отходов в ротационных  
наклоняющихся печах ................................................................................ 152 
Глава 5. Очистка сточных вод металлургических предприятий 
........ 154 
5.1. Классификация сточных вод металлургических предприятий ....... 154 
5.2. Характеристика загрязнений сточных вод нефтепродуктами 
......... 154 
5.3. Выбор способа очистки нефтесодержащих сточных вод ................ 156 
5.4. Традиционные методы очистки сточных вод ................................... 157 
5.4.1. Механические методы очистки сточных вод 
............................. 157 
5.4.2. Физико-химические методы очистки сточных вод ................... 169 
5.5. Очистка промышленных сточных вод на металлургических  
предприятиях ............................................................................................... 175 
5.5.1. Очистка сточных вод газоочистных установок  
конвертеров 
.............................................................................................. 175 
5.5.2. Очистка сточных вод прокатных цехов 
...................................... 176 
5.5.3. Очистка сточных вод широкополосных станов горячей  
прокатки ................................................................................................... 182 
5.5.4. Очистка сточных вод станов холодной прокатки...................... 194 
5.5.5. Очистка сточных вод трубопрокатных цехов 
............................ 200 
5.6. Инженерный расчет очистных сооружений прокатных цехов ....... 203 
Глава 6. Основы переработки и использования пыли и шламов  
черной металлургии ..................................................................................... 206 
6.1. Классификация и характеристики твердых пыли и шламов  
черной металлургии .................................................................................... 206 
6.2. Классификация методов очистки газов металлургического  
производства от пыли ................................................................................. 210 
6.3. Переработка и использование пыли и шламов газоочисток  
доменных, мартеновских, электросталеплавильных печей,  
конвертеров 
.................................................................................................. 213 
 
4

6.3.1. Обезвоживание шламов 
................................................................ 216 
6.3.2. Фильтрование ................................................................................ 220 
6.3.3. Сушка шламов ............................................................................... 227 
6.4. Переработка пыли, окалины и шлама на металлургических  
заводах Германии ........................................................................................ 229 
Глава 7. Утилизация компонентов и обезвреживание  
отходящих газов в черной и цветной металлургии ............................... 234 
7.1. Очистка отходящих газов в доменном производстве ...................... 235 
7.2. Очистка отходящих газов в мартеновском производстве ............... 241 
7.3. Очистка отходящих газов в конвертерном производстве 
................ 244 
7.4. Очистка отходящих газов в электросталеплавильном  
Производстве ............................................................................................... 247 
7.5. Очистка газов от сернистых соединений 
........................................... 250 
7.6. Очистка газов от окислов азота .......................................................... 254 
7.7. Способы извлечения оксида углерода из отходящих  
(сбросовых) дымовых газов ....................................................................... 256 
Глава 8. Формирование современной методологии оценки  
эффективности технологий, процессов и продуктов черной  
металлургии с точки зрения концепции экологически чистого  
производства (ЭЧП) 
...................................................................................... 259 
8.1. Устойчивое развитие и экологически чистое производство ........... 259 
8.2. Выбросы в окружающую среду 
.......................................................... 263 
8.3. Обращение с отходами, техногенные ресурсы  
и месторождения ......................................................................................... 266 
8.4. Концепция общества с оборотным использованием ресурсов ....... 272 
8.5. Интегрированная политика производства экопродукта .................. 276 
8.6. Экобаланс и анализ жизненного цикла изделия ............................... 280 
8.7. «Инициатива 3R» и новая парадигма черной металлургии 
............. 283 
8.8. Понятие и методология анализа техногенного  
элементопотока металлов 
........................................................................... 288 
Глава 9. Прогноз образования и оценка мощности  
техногенного месторождения для металлургического региона .......... 296 
9.1. Прогноз образования техногенного месторождения  
на территории металлургического региона 
.............................................. 296 
9.2. Оценка мощности техногенного месторождения  
для металлургического региона (на примере ОАО «Северсталь») ....... 300 
Глава 10. Токсичные металлы ................................................................... 313 
10.1. Классификация и основные свойства .............................................. 313 
10.2. Тяжелые металлы в биосфере 
........................................................... 315 
10.3. Ртуть .................................................................................................... 319 
10.4. Мышьяк ............................................................................................... 321 
10.5. Свинец ................................................................................................. 322 
10.6. Кадмий 
................................................................................................. 324 
10.7. Шестивалентный хром ...................................................................... 326 
 
 
5

Глава 11. Рециклинг металлсодержащих коммунальных  
отходов 
............................................................................................................. 331 
11.1. Рециклинг электробытовых и электронных отходов ..................... 331 
11.2. Рециклинг строительных материалов .............................................. 336 
11.3. Авторециклинг ................................................................................... 341 
Глава 12. Обращение с металлоломом и мини-металлургия 
............... 349 
12.1. Производственный рециклинг и элементопоки металлов 
............. 349 
12.2. Техногенные материалы - перспективное сырьё  
металлургии ближайшего будущего ......................................................... 354 
12.3. Шахтные печи 
..................................................................................... 357 
12.4. Рециклинг металлолома .................................................................... 366 
12.5. Микроэлементы в металлургических системах 
.............................. 375 
Глава 13. Обращение с ломом цветных металлов.................................. 381 
13.1. Лом цветных металлов ...................................................................... 381 
13.2. Входной контроль металлолома 
....................................................... 384 
13.3. Подготовка металлолома к металлургическому переделу ............ 391 
13.4. Сортировка металлолома .................................................................. 395 
13.5. Рециклинг алюминия ......................................................................... 400 
13.6. Рециклинг меди .................................................................................. 407 
13.7. Рециклинг цинка ................................................................................ 411 
13.8. Рециклинг свинца 
............................................................................... 415 
13.9. Рециклинг титана ............................................................................... 419 
13.10. Рециклинг редких и специальных металлов и сплавов................ 422 
Глава 14. Утилизация и рециклинг благородных металлов 
................ 427 
14.1. Применение благородных металлов ................................................ 427 
14.2. Ювелирные сплавы ............................................................................ 430 
14.3. Утилизация и рециклинг электронного лома 
.................................. 430 
14.4. Поведение благородных металлов при переработке  
электронного лома ...................................................................................... 434 
14.5. Технология и оборудование для плавления сплавов  
благородных металлов 
................................................................................ 436 
14.6. Прокатка благородных металлов 
...................................................... 440 
Библиографический список ........................................................................ 442 
 
 
6

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Проблема утилизации отходов производства и потребления является одной 
из наиболее значительных мировых проблем в области охраны окружающей 
среды. Поэтому в последние годы уделяется большое внимание разработке инженерных способов утилизации отходов. В настоящее время нашли применение 
следующие способы утилизации твердых отходов: складирование на полигоне, 
компостирование, сжигание на мусоросжигательных заводах.  
В России накопление твердых бытовых отходов (ТБО) опережает возможности их переработки и захоронения на полигонах. По оценкам специалистов, 
ежегодно в нашей стране образуется 150 млн м3 бытовых отходов, которые 
негативно воздействуют на окружающую среду, в частности на атмосферу и 
гидросферу. Отходы производства составляют около 7 млрд т и также являются  
одним из основных объектов загрязнения окружающей среды. Утилизация техногенных отходов важна не только с точки зрения охраны окружающей среды, 
но и с точки зрения их использования пока только 2 млрд т (28 ) как альтернативного источника сырья.  
На долю металлургии приходится 38  общих выбросов промышленности, 
из них на долю черной металлургии - 16 . Металлургическое производство 
технологически сопровождается образованием значительного количества отходов, достигающих 30  от выпуска стали. Около 80  из них шламы, 20  ௅ 
шлаки, пыль, окалина. Основным источником эмиссии загрязняющих веществ в 
окружающую среду является агломерационное и коксохимическое производство (более 70  выбросов). В настоящее время в агломерационном, доменном, 
сталеплавильном и прокатном производстве железосодержащие шламы и пыли 
составляют 25  или 2025 кг/т продукции. Переработка отходов и их рециклинг способствует экономии природных ресурсов.   
В последние годы началось вовлечение металлургических агрегатов в переработку различных видов отходов.  Металлурги различных стран мира реализуют идею утилизации в металлургических агрегатах различных горючих компонентов ТБО. Поскольку ни один мусоросжигательный завод не может конкурировать с высокотемпературными металлургическими агрегатами как кислородный конвертер или доменная печь. Анализ химико-физических свойств 
сточных вод металлургических предприятий показал, что наибольшее их количество загрязнено: оксидами железа, продуктами горения топлива, окалиной, 
песком, металлической пылью, стружкой, нефтепродуктами, химическими веществами (тетраэтилсвинец, фенолы), шлаками.  
Авторы попытались осветить основные технологии, используемые для 
очистки сточных вод основных металлургических агрегатов: конвертеров, 
МНЛЗ, цехов горячей и холодной прокатки полосового и сортового металла, 
трубопрокатных цехов. При этом особое внимание обращено на возможно полную утилизацию всех компонентов сточных вод и создание замкнутых систем 
водного хозяйства металлургических предприятий.  
 
7

В черной и цветной металлургии при работе металлургических агрегатов 
образуется большое количество пыли, последняя улавливается газоочистными 
сооружениями, газы которых подвергаются очистке в аппаратах с использованием воды. Вода, используемая в технологических процессах металлургического производства, контактирует с различными веществами (твердыми, жидкими, 
газообразными), часть из которых растворяются в ней, а другие образуют соединения в виде нерастворенных веществ, которые объединяются общим понятием - шламы. Проведен анализ различных технологий комплексной переработки пыли и шламов в черной и цветной металлургии. 
Рассмотрены технологии обработки железосодержащих отходов в развитых западных странах. Показано, что в Германии количество отходов, подвергаемых повторной обработке, составляет 61,2 кг/т стали для кислородноконвертерного процесса и 37,6 кг/т стали - для электросталеплавильного процесса. В 2004 году в Германии было отправлено в отвалы 1,8 млн т пыли и 
шламов. Из этого количества 48  утилизировано в шихту агломерационных 
фабрик, 27  передано на утилизацию внешним потребителям - компаниям, 
выпускающим чушковый чугун.  
Исследования показали, что газы, образующиеся в различных процессах 
черной и цветной металлургии, выходят из металлургических агрегатов нагретыми до высокой температуры и содержат пыль и другие компоненты. К основным пылеулавливающим методам относятся сухой и мокрый методы. Показано, как для грубого пылеулавливания применяются пылевые камеры, инерционные пылеулавливатели, циклоны. Приведены методы очистки отходящих газов в доменном, мартеновском производстве, конвертерном, электросталеплавильном производстве. Рассмотрены методы очистки отходящих газов от сернистых соединений, оксидов азота и углерода. 
Особое внимание в книге уделено процессам образования окалины при 
прокатке, способам удаления поверхностных дефектов и окалины с поверхности проката, утилизации замасленной окалины, перспективам развития нового 
вида окускования-брикетирования. Рассмотрены различные способы удаления 
первичной и вторичной окалины с поверхности проката: механические, гидравлические, химические, абразивные. Предложен и исследован новый способ 
прокатки полосового проката - прокатка-волочение (ПВ), который может быть 
использован для удаления окалины в линиях НТА. Промышленное опробование нового способа (ПВ), проведенное на окалиноломателе клети дуо 1700 в 
линии непрерывно-травильного агрегата «Мариупольского металлургического 
комбината им. Ильича», показало его эффективность. 
Подробно рассмотрены различные технологии утилизации замасленной 
окалины на обжимных, сортовых, листовых и трубопрокатных станах ведущих 
предприятий черной металлургии нашей страны (ОАО «ММК», ОАО «НЛМК», 
ОАО «ЧТПЗ»). Рециклинг металлургических отходов является наиболее выгодным способом продления жизненного цикла металлов. Он позволяет экономить 
первичное сырье и снижает объем добычи полезных ископаемых, а также 
уменьшает негативное воздействие отходов на окружающую среду. При мировом производстве стали 800 млн т в год, 300 млн т выплавляется с использовани 
8

ем скрапа. В связи с возрастающим дефицитом первичного сырья расширение 
производства стали и чугуна представляется возможным лишь при использовании 
перспективных технологий глубокой переработки и утилизации железосодержащих отходов доменного, сталеплавильного производства, прокатной окалины. Исследования показали, что основными техногенными отходами ОАО «ММК», 
ОАО «Северсталь», ОАО «Носта», ОАО «ЧМК»  являются: доменная и конвертерная пыль, пыль электропечей из системы газоочисток, а также прокатная окалина из системы водоотстойников. 
Большинство отходов черной металлургии требует специальной подготовки для придания им свойств, удовлетворяющих процессам их дальнейшей переработки. Основной технологической операцией является получение окатышей путем высокотемпературной обработки. Однако, такой способ получения 
окатышей имеет существенные недостатки: низкую прочность, образование 
мелочи, которая ухудшает газодинамические условия работы металлургических 
агрегатов. 
В настоящее время для устранения указанных недостатков интенсивно 
разрабатываются и внедряются альтернативные методы окускования железосодержащих материалов: брикетирование и выплавка в роторных наклоняющихся 
печах. Подробно рассмотрены способы брикетирования железосодержащих материалов, применяемые на крупных металлургических заводах  
Ротационные наклоняющиеся плавильные печи ௅ новый, появившийся в 
конце ХХ века тип плавильных печей. Термический КПД роторных печей при 
переплавке стружки достигает 5055 , что в 24 раза превышает КПД индукционных, дуговых печей, печей отражательного типа. При создании ротационных плавильных печей была разработана технология рециклинга дисперсных 
железосодержащих отходов, изложенная в книге.  
Наступившее тысячелетие окончательно утвердило глобальный подход  
к оценке эффективности использования и управлению вторичными ресурсами, 
важнейшими из которых являются ресурсы вторичных металлов. В последнее 
десятилетие активно разрабатываются теоретические основы организации рециклинга как необходимой составной части экологически чистого производства. Получили развитие инновационные концепции «Общества рециклинга» 
(«общества с оборотным использованием ресурсов»), «Экогорода», «Экопродукта», «Экокомбината», «Венозного потока вторичных сырьевых материалов». 
Их реализация осуществляется на базе передовых научных разработок динамических математических моделей жизненного цикла изделий с использованием 
методологии «экологических сценариев». 
В передовых индустриальных странах (ЕС, Японии, США) приняты законы, нормирующие методы переработки автомобилей, электробытовых и электронных (ЭЭО), упаковочных, строительных и пищевых вторичных ресурсов. 
Таким образом, законодательно закладывается фундамент экономической системы ориентированной на рециклинг. В качестве приоритетных подходов в 
отношении вторичных ресурсов упомянутые законы определяют: 1) оборотное 
использование (recycling); 2) утилизацию (reuse), в том числе тепла; 3) восстановление вторичных материалов (recovery); 4) ограничение образования и без 
9

опасное для окружающей среды и человека депонирование отходов (reduce). 
Ключевыми принципами экологически чистого производства (ЭЧП) являются 
ресурсосбережение, обращение с отходами, снижение выбросов в окружающую 
среду и рециклинг. Эти принципы являются основополагающим понятием при 
обучении, как в технических, так и в гуманитарных вузах. 
Рециклинг является ключевым понятием в охране окружающей среды в металлургии. Производство металлов от обогащения сырья и по всем последующим 
переделам является процессом, для которого требуются большие количества сырьевых и вспомогательных материалов. Рециклинг представляет собой стратегию, 
позволяющую справиться с большими потоками материалов и связанными с этим 
факторами воздействия на окружающую среду. Современные центры рециклинга, которые функционируют во многих регионах мира, особое внимание уделяют проблеме переработки сложного лома и смешанных отходов цветных металлов, а также мелкодисперсных отходов шредирования. Для их решения организуются специальные международные проекты под эгидой ООН. Например, 
в 2007 году начал разрабатываться проект «StEP» (Solving the E-waste Problem ௅ 
решение проблемы электронного мусора). 
Для технологов-металлургов особую актуальность и научный интерес 
представляют вопросы промышленной переработки вторичных ресурсов в соответствии с принципами экологически чистого производства, с учетом миграции в их составе загрязняющих металл элементов - «вагантов». Это, в частности, требует разработки новых принципов управления потоками лома, как черных, так и цветных металлов. 
 
 
10