Валерий Диев
Заведующий лабораторией, кандидат технических наук
Наиль Сабирзянов
Ведущий научный сотрудник, кандидат химических наук
Сергей Яценко
Заведующий лабораторией, доктор химических наук, профессор
Институт химии твердого тела УрО РАН

В

окрестностях уральских индустриальных городов, разбросанных от границ с Казахстаном до Заполярья, можно снимать фантастические фильмы об угасании цивилизации. Здесь безжизненные горы и холмы, отходы, грязь: под Карабашем – отвалы медных заводов, близ Нижнего Тагила – доменные шлаки, у Качканара – отвалы железных руд, в Березниках – солевые моря. Большинство крупных химико-металлургических предприятий Урала десятилетиями накапливают отходы производства, далеко не безвредные для окружающей среды. Иногда это оборачивается настоящей экологической катастрофой, как в Качканаре, когда была прорвана плотина шламохранилища и вода из отстойника ГОКа затопила всю округу.
    Но ведь накопление отвалов предусматривается проектами строительства предприятий, отходы неизбежно образуются в технологическом цикле при извлечении из минерального сырья таких металлов, как железо, медь, ванадий, алюминий и др. В результате природные богатства оказываются использованы частично и, щедро сдобренные разнообразными химикатами и полупродуктами целевой добычи, остаются мертвым грузом на поверхности земли, обезображивая ее техногенными язвами.
    Возможна ли переработка минерального сырья с полным использованием отходов для получения ценных технических продуктов? Современная наука, разрабатывающая высокие технологии, отвечает: можно! Рассмотрим это на примере отходов глиноземсодержащего сырья двух алюминиевых заводов – Уральского (УАЗ) и Богословского (БАЗ).
    Как известно, бокситы – это горная порода, состоящая в основном из гидроксидов и оксидов алюминия, железа, кремния, титана и др. Большая часть мирового производства глинозема ведется по способу Байера, по которому для производства 1 т товарного глинозема расходуются 2,6 т боксита, 60–100 кг каустической щелочи, 30 кг известняка. При этом примерно 1,3 т уходит в отвалы, представляющие собой концентрированные суспензии, которые называют красными шламами (КШ), имеющие высокое, до 40 %, содержание оксида железа.
    Красный шлам удаляется из глиноземного цеха за территорию завода в виде пульпы и складируется на специально оборудованной площадке. Шлам намывается в виде длинной усеченной пирамиды до высоты 20–26 м. Непрерывное увеличение производства глинозема и вовлечение в переработку низкокачественных бокситов с повышенным выходом шламов определяет постоянный рост их объемов. Предполагается, что к 2010 году количество КШ увеличится более чем в 2,5 раза против современного.
    За 60 лет эксплуатации глиноземного цеха Уральского алюминиевого завода построено три шламохранилища, в которых накоплено более 63 млн т красных шламов. Шламоотвал № 1 занимает площадь 80 га, он полностью рекультивирован, покрыт слоем плодородной почвы толщиной не менее 0,5 м и засеян травой. Шламоотвал № 2 состоит из двух карт общей площадью 190 га. Карта № 1 – 90 га – полностью отработана, шлам намыт до отметки 26 м. Начата ее рекультивация: шлам покрывают строительным мусором, вскрышными породами щебеночного карьера, шламом очистных сооружений бытовой канализации и почвой со строительства шламоотвала № 3. Планируемая площадь последнего – 247 га, которые предполагается заполнить за 30–35 лет.
    Примерно такая же картина и на Богословском алюминиевом заводе: шламохранилища занимают площадь более 400 га, накоплено более 40 млн т красных шламов.
    Шламохранилища, как мины замедленного действия, таят в себе постоянную экологическую угрозу. Они аккумулируют дождевые потоки, провоцирующие опасность проникновения ядовитых стоков в окружающую среду. Поэтому от службы эксплуатации требуется постоянный контроль за состоянием шламовых полей, обеспечение баланса воды и шлама в хранилищах. Поля занимают сотни гектаров земли, нередко превосходящие площади заводов, а затраты на строительство каждого шламохранилища исчисляются десятками миллионов рублей.
    В Уральском регионе хозяйственная деятельность уже привела к существенному локальному ухудшению среды обитания, что обусловливает высокий уровень заболеваемости среди населения. Сформировались обширные антропогенные очаги загрязнения почвы, воды и воздуха. Вокруг УАЗа и БАЗа значительно загрязнены атмосфера, вода, земля. Из боксита извлекаются, и то не полностью, лишь соединения алюминия. Красные шламы составляет не менее половины объема поступающего на завод боксита.
    В то же время эти отходы представляют собой огромный источник многих ценных компонентов. Они содержат в своем составе железо – до 40 %, алюминий – до 16 %, кальций, кремний, титан, цирконий, ниобий, галлий и даже золото. Особый интерес представляют редкоземельные элементы – скандий и иттрий. Содержание первого в КШ составляет 80–120 г/т, второго – до 300–400 г/т.
    Скандий не имеет своих собственных минеральных источников, пригодных для промышленной разработки. Перспективный легирующий элемент для алюминиевых сплавов, он оказывает модифицирующее влияние на структуру слитков, способствует формированию субзернистой структуры в деформируемых полуфабрикатах. Легирование скандием привело к созданию алюминиевых сплавов с существенно более высокими характеристиками: удельной прочности, свариваемости, деформируемости, что позволило внедрить в серийное производство крупногабаритные, геометрически сложные силовые штампосварные конструкции с минимальным полетным весом для ракетной и авиационной техники. Основные проблемы в применении сплавов со скандием в авиа-, судо- и автомобилестроении – высокая стоимость алюминиевоскандиевой лигатуры и сплавов, хотя испытания образцов изделий из них, проведенные фирмами Ford и «АвтоВАЗ», показали хорошие результаты. Скандий при использовании его в осветительных приборах, лазерах, сплавах и ряде других случаев не имеет аналогов: только он обеспечивает кардинально новые потребительские качества там, где требуются изделия с высокими удельными прочностными характеристиками.
    Еще в СССР была разработана программа создания производства скандия и его лигатуры. При этом предполагалось производить в 1990 году 250 т лигатуры, в 1995 – 500 т, в 2000 году – 1000 т, в основном на двух предприятиях – Прикаспийском ГМК (г. Шевченко, Казахстан) и Лермонтовском ГХРУ (г. Лермонтов, Ставропольский край) на базе переработки мангышлакских урано-редкоземельных фосфоритов. Другие производители оксида скандия – Усть-Каменогорский (Казахстан) и Березниковский (Пермская обл.) титано-магниевые комбинаты, где выпуск этого элемента был связан с переработкой ильменита и отходов его переработки на титан, имели небольшие объемы – до 100 кг оксида скандия в год.
    Себестоимость оксида скандия в ОАО «АВИСМА» (Березниковский ТМК) превышает сегодня 1000 долл./кг. Для сравнения: фирма Stanford Materials Company предлагает лигатуру 98 % Аl+2 % Sc по цене 250–300 долл./кг (декабрь 1999 г.). Для широкого применения сплавов необходимо снижение стоимости лигатуры в 5–8 раз.
    Оценивая состояние скандиевой продукции в России в целом, отметим, что как в России, так и в других странах СНГ в настоящее время нет реального переработчика бедного скандиевого сырья. Cреди российских источников наиболее перспективны и экономически выгодны для извлечения скандия именно отходы глиноземного производства. Шламы в результате применения методов физического обогащения позволяют получать концентрат с содержанием оксида скандия до 360 г/т, а дополнительное использование классификации и химической активации дает большее извлечение в концентрат, увеличивая содержание до 400 г/т. Для сравнения: эти показатели на порядок превышают содержание скандия в концентрате Западной Австралии по проекту, осуществляемому американской компанией Ashurst Technology с планируемым объемом выпуска оксида скандия 40 т/год.
    Несколько слов об иттрии. Он также применяется в качестве легирующей добавки, позволяет значительно улучшить механические и коррозионные свойства чугунов и сталей. Добавка 0,1 % иттрия повышает предел прочности чугуна при растяжении до 38 кг/мм. Такой чугун имеет износостойкость в 4 раза выше, чем серый. Скорость окисления сталей различных марок с добавками иттрия и других редкоземельных металлов снижается в 11 раз. Введение иттрия совместно с другими лантаноидами приводит к глобуляризации графита.
    В настоящее время развивается два основных подхода в методах решения проблемы переработки красного шлама – пирометаллургический и гидрометаллургический. Первый способ, ориентированный главным образом на крупномасштабное извлечение железа с целью вовлечения его в черную металлургию и получения стройматериалов, весьма трудо- и энергоемок, требует больших капитальных затрат. Микрокомпоненты извлекаются из получаемого после доменной плавки шлака, который подвергается грануляции и измельчению. В МИСИС (Москва) на базе КЭ ВИМС (Наро-Фоминск) испытана комплексная нитратная схема переработки красных шламов, по которой предполагалось получение пятипроцентного скандиевого концентрата, азотных удобрений и железистого кека. Значительным минусом технологии являются большие затраты азотной кислоты (в присутствии пероксида водорода).
    Институт химии твердого тела УрО РАН (Екатеринбург) совместно с ОАО «Уралалюминий» (Каменск-Уральский) разработали гидрохимический способ переработки красных шламов, имеющий ряд преимуществ по сравнению с другими известными методами. Его особенность – предварительное обогащение красного шлама при помощи магнитной сепарации и химической активации, благодаря которым в 2,5 раза повышается содержание в нем скандия и иттрия (до 360 и 500 г/т, соответственно). Благодаря обогащению шлама существенно повышается рентабельность его переработки. Далее по технологической схеме предусматриваются следующие переделы: сернокислотное (щелочное) вскрытие магнитного концентрата, последующее выщелачивание и гидролиз; экстракционное или ионообменное селективное концентрирование с осаждением из элюатов богатых концентратов и солей скандия и иттрия. Одновременно из шлама получают железооксидные пигменты, которые испытаны в качестве компонентов красок цветовой гаммы от черного до лимонно-желтого цвета; кислые алюможелезистые коагулянты, проверка которых проведена на станции нейтрализации стоков в Краснотурьинске и показала возможность в 1,5 раза интенсифицировать работу очистных сооружений, улучшить качество очистки сточных вод. Потребности в коагулянте для Свердловской области измеряются десятками тыс. т в год.
    Из технического оксида скандия (98–99 %) методом цементации, также разработанным в ИХТТ УрО РАН, получена алюмоскандиевая лигатура, а из концентрата иттрия – высокочистый оксид иттрия для производства люминофоров. Образцы конечной продукции отвечают техническим условиям.
    Отличительная особенность предложенной технологии – ее блочный характер: выпуск товарной продукции можно организовать по схеме получения либо алюмокальциевых и железосодержащих концентратов, либо скандия или иттрия, либо совместного их получения в зависимости от конъюнктуры рынка. Это значительно сокращает объем инвестиций при организации промышленного производства.
    Выполненные технико-экономические исследования подтвердили экономическую целесообразность комплексной переработки бокситов и создания на обоих алюминиевых заводах опытно-промышленных установок по утилизации КШ производительностью 0,5 т оксида скандия, 3,5 т оксида иттрия, 500 т пигмента и до 2 тыс. т алюможелезистого коагулянта в год.
    Цеховая себестоимость оксида скандия составит 200 долл./кг, а двухпроцентной алюмоскандиевой лигатуры, произведенной по технологии ИХТТ УрО РАН, не превысит 24 долл./кг. Ожидаемые затраты на создание участка переработки красных шламов – 1 млн долл., окупаемость – 1 год. Кроме того, организация участка позволит резко сократить объем отходов глиноземного производства и улучшить экологическую обстановку в регионе, а в будущем – полностью использовать перерабатываемое сырье – бокситы СУБРа, Тимана и прочие.