Ю. Юсфин, Ю. Карабасов, Ю. Карпов, Л. Леонтьев, П. Черноусов
Cотрудники Московского государственного института стали и сплавов

    Катастрофически быстрое убывание ресурсов, проявившееся во второй половине XX века, связано прежде всего с кризисом сырьевых материалов, относящихся к категории невозобновляемых ресурсов. Так, если исключить комплексное ископаемое сырье, то мировых запасов меди хватит на 10 лет, олова – на 6 лет, никеля – на 25 лет, железа – на 64 года, алюминия – на 341 год. Даже с учетом неточности любых прогнозов, наличия неизвестных месторождений в труднодоступных и неосвоенных регионах, а также на дне Мирового океана человечество впервые ощутимо почувствовало ограниченность невозобновляемых ресурсов.

    Утопия безотходных технологий
    После распада СССР серьезные трудности с некоторыми видами сырья возникли в России. Это относится в первую очередь к марганцу, хрому, барию, стронцию, йоду, брому, фосфоритам, бентониту, каолиниту, месторождений которых в России нет, а также к титану и ртути, месторождения которых в настоящее время не разрабатываются. Извлечение основных полезных ископаемых в России составляет 65 – 78 %, а попутных элементов (в цветной металлургии) – 10 – 30 %.
    В современных условиях в расчете на каждого жителя планеты ежегодно добывается около 20 т сырья, которые с использованием 800 т свежей воды и 2500 Вт мощности перерабатываются в продукты потребления. Выход конечных продуктов составляет всего 2 % от массы сырья.
    Провозглашавшийся в течение длительного времени лозунг безотходных технологий оказался лишь иллюзией. Безотходных процессов и технологий не может быть в принципе, равно как и в природе, с той лишь разницей, что в природе отходы одного процесса являются сырьем для другого, и таким образом в результате кругооборота веществ природа существует в суммарном безотходном потоке.

    Утилизация отходов, кроме всего прочего, во многом решает экологические проблемы, так как "мусор" занимает обширные территории, отравляет почву, развеивается и переносится воздушными массами. Таким образом проблема утилизации отходов, решая вопросы сбережения материальных ресурсов и экологической безопасности, превращается в одну из основных для цивилизации XXI века.
    К сожалению, для большинства людей в нашей стране и за рубежом эта ситуация остается лишь умозрительной. Иначе чем объяснить тот факт, что до настоящего времени по существу не начаты работы по "инвентаризации" промышленных и бытовых отходов. Практически неизвестны их химический и гранулометрический составы, формы нахождения элементов, их свойства и т. д., без чего невозможно начало работы по разработке методов утилизации.

    Через "сито" таблицы Менделеева
    Такая работа выполнена в Московском институте стали и сплавов на примере Череповецкого металлургического комбината (ныне АО "Северсталь").
    Металлургия потребляет огромное количество сырья и энергии. Высокая степень концентрации производства обусловливает и повышенное удельное (на единицу территории) скопление техногенных отходов. Развитая система контроля производственных процессов, сбора и хранения информации предоставляет широкие возможности для составления балансов элементов, вовлекаемых в металлургическое производство. Препятствием в этой работе является отсутствие данных по широкой гамме элементов, поступающих с сырьем на металлургические предприятия. Известно, что в металлургии сырье и продукты процесса анализируются в основном на содержание 10 – 12 элементов (железо, марганец, кремний, фосфор, сера, углерод, кальций, магний, алюминий, реже – никель, хром, титан, ванадий и др.).
    В ходе исследований были отобраны представительные пробы всех видов сырья (руды, угли, флюсы, ферросплавы, стальной лом и др.), продукции (кокс, агломерат, чугун, сталь), отходов (шламы, шлаки, золы углей и др.), которые подверглись химическому анализу на содержание 78 химических элементов (в лаборатории института Гиредмет). В работе использованы данные технических отчетов, результаты исследования вещественного, гранулометрического и дисперсионного составов промышленных отходов, находящихся в золошламонакопителях, анализы степени загрязнения почвы и грунтов, грунтовых, поверхностных и подземных вод Череповецкого региона, анализы химических составов печорских и других углей, металлолома, флюсов, ферросплавов и руд, поступавших на завод за время его существования (1955 – 1994 гг.).
    К основным элементам производственного цикла завода отнесены железо, марганец, углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера, кремний, алюминий, кальций, магний, калий, натрий. Остальные элементы классифицируются как примесные. Суммарное количество последних равно 3,55 кг на 1 т проката, что соответствует 4,27 кг на 1 т чугуна (все цифры, приводимые ниже, отнесены к единице чугуна).
    На базе общего материального баланса производственного цикла АО "Северсталь" выполнены балансы отдельных химических элементов. В них учитываются "движение" элементов не только в основных металлургических переделах, но также и в выбросах, отходах, их хранение и распространение на территории региона. В этом контексте нами предложен термин "элементопоток" ("поток элемента"), охватывающий все вышеупомянутые стадии его движения.

    "Археология" индустриального гиганта
    В развитии металлургического производства в Череповецком регионе можно выделить ряд этапов. Первоначально цехи располагались на возвышенностях. При расширении промышленной зоны осваивались низинные районы, а для строительной планировки широко применялись различные отходы металлургического производства: шламы, шлаки, промышленный мусор и т. п. По мере возрастания производственных мощностей, освоения их новых видов и связанного с этим увеличения количества отходов (особенно в виде шламов) под их складирование были выделены специальные территории, занятые к настоящему времени шлаковыми отвалами. Техногенные материалы широко применялись на комбинате также при перепланировках, строительстве автомобильных дорог, прокладке железнодорожных путей, формировании производственного стока технических вод, дождевой, ливневой и паводковой канализации, прудов и т. п.
    Исследования показали, что на каждую тонну выплавляемоого чугуна поступает и остается затем в грунтах, грунтовых водах и золошламонакопителях не менее 1485 г примесных микроэлементов – металлов. Этого количества оказывается достаточно для того, чтобы в настоящее время ПДК для грунтов и грунтовых вод по некоторым элементам, в том числе таким, как свинец, кадмий и стронций, были превышены в десятки и даже сотни раз.
    Эти напластования настолько велики, что можно утверждать: за время существования Череповецкого металлургического комбината на его собственной и прилегающих к нему территориях сформировалось мощное техногенное месторождение комплексных материалов. Эта "кладовая" содержит в рассеянном состоянии не менее 200 тыс. т цветных металлов, около 18 тыс. т мышьяка и до 3,5 тыс. т фтора.

    Техногенные месторождения
    Череповецкий металлургический комбинат можно отнести к молодым предприятиям. Вполне очевидно, что на территориях более старых металлургических предприятий, особенно существующих более 50 – 60 лет (Магнитка, Новолипецкий комбинат, регион Кузнецкого комбината и Западно-Сибирского металлургического завода и др.), должны существовать мощные техногенные месторождения объемом более 1 млн. т цветных и редких металлов. Каждое такое месторождение непрерывно развивается, его элементы меняют формы и свойства. В них идут процессы, аналогичные формированию месторождений в недрах Земли. Часть элементов переходит в подземные воды, мигрируя по территории. По нашему мнению, этими вопросами должно заниматься специальное научное направление, чаще всего определяемое как "геохимия техногенных месторождений".
    Чрезвычайно важным является то обстоятельство, что чугун и сталь включают в себя широкий набор элементов, которые не вписываются в стандарты. И науке совершенно неизвестно влияние этих элементов на свойства черных металлов.
    Отсутствуют расчеты поведения элементов в металлургической системе, позволяющие определить их возможные содержания в металле при различных условиях плавки. Эти и другие вопросы, в том числе экологические и социальные, должны стать содержанием нарождающейся на наших глазах науки, которую мы называем "металлургическая техноэкология".