blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2021-3-192-199blackmet-2070Research ArticleЭКОЛОГИЯ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕECOLOGY AND RATIONAL USE OF NATURAL RESOURCESБезотходная переработка ковшевого и электропечного шлакаWasteless processing of ladle furnace and electric arc furnace slagШешуковО. Ю.SheshukovO. Yu.

Олег Юрьевич Шешуков, д.т.н., профессор, директор , главный научный сотрудник лаборатории пирометаллургии черных металлов620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Oleg Yu. Sheshukov, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Director; Chief Researcher of the Laboratory “Pyrometallurgy of Ferrous Metals”

28 Mira Str., Yekaterinburg 620002

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016

o.j.sheshukov@urfu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9833-7191ЕгиазарьянД. К.Egiazar’yanD. K.

Денис Константинович Егиазарьян, к.т.н., доцент кафедрыметаллургии железа и сплавов; старший научный сотрудник

620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Denis K. Egiazar’yan, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof. of the Chair “Metallurgy of Iron and Alloys”; Senior Researcher

28 Mira Str., Yekaterinburg 620002

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016

avari@mail.ruЛобановД. А.LobanovD. A.

Даниил Андреевич Лобанов, научный сотрудник Группы проблем техногенных отходов620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Daniil A. Lobanov, Research Associate of the Group of TechnogenicWaste Problems

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016

summerdanny@ya.comИнститут новых материалов и технологий, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина; Институт металлургии УрО РАНРоссияInstitute of New Materials and Technologies, Ural Federal University named after the First President of Russia B.N. Yeltsin; Institute of Metallurgy, UB RASRussian FederationУральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина; Институт металлургии УрО РАНРоссияUral Federal University named after the First President of Russia B.N. Yeltsin; Institute of Metallurgy, UB RASRussian FederationИнститут металлургии УрО РАНРоссияInstitute of Metallurgy, UB RASRussian Federation202108042021643192199Copyright © Шешуков О.Ю., Егиазарьян Д.К., Лобанов Д.А., 20212021Шешуков О.Ю., Егиазарьян Д.К., Лобанов Д.А.Sheshukov O.Y., Egiazar’yan D.K., Lobanov D.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2070

Повторное использование техногенных отходов в черной металлургии может разрешить актуальную проблему комплексного применения имеющегося сырья ввиду истощаемости минеральных ресурсов. Металлургические шлаки перерабатываются не полностью, из-за чего их остатки складируются в отвалы предприятий и тем самым загрязняют окружающую среду. Эти остатки могут быть преобразованы в качественный промышленный продукт. Некоторые виды шлаков возможно эффективно перерабатывать совместно ввиду того, что, взаимодействуя между собой, части компонентов образуют новый продукт. В данной работе представлено исследование по совместной безотходной утилизации ковшевого и электропечного шлака черной металлургии, нацеленное на получение одновременно портландцементного клинкера и передельного чугуна. Приведено описание недостатков промышленных способов переработки данных шлаков, показана актуальность переработки ковшевого шлака. Представлены результаты математического моделирования жидкотекучести шлаков в зависимости от их состава, на основе которых проведены реальные исследования, приведена методика эксперимента. Определен химический состав шихты, позволяющий перерабатывать данные шлаки полностью, без какого-либо остатка, а также отходы обжига известняка при их наличии. В ходе такой переработки получаются передельный чугун и портландцементный клинкер качества, соответствующего ГОСТ. Также описаны результаты замеров вязкости разных составов шлака, дано описание полученных фаз шлака, представлен конечный температурный режим. Приводятся результаты опытно-промышленных испытаний разработанного способа утилизации, представлена цельная технологическая цепочка, предусматривающая использование роторно-наклонных печей.

The actual problem of mineral resources depletion in ferrous metallurgy can be effectively solved by complex reuse of technogenic waste. That waste is mostly presented by EAF (electric arc furnace) slag and LF (ladle furnace) slag. These two kinds of slag have no complex full utilization. The residues of slag are going to the dump and then the slag dump locations pollute the environment. However, the residues of EAF and LF slag can be transformed into the valuable industrial product by interaction of the slag components. This work presents the research for joint wasteless processing of EAF and LF slag with production of Portland clinker and cast iron. The article describes disadvantages of known methods of each slag processing; the paper also shows the significance of LF slag utilization. Design and calculations of the research are presented as well as its experiment methodology. The final results show five chemical compositions for the mixtures, which allow the complex processing of this slag without any waste left. Such processing provides the production of cast iron and Portland clinker both meeting requirements of normative documents. The paper also describes the results of viscosity measurements of slag compositions, the obtained slag phases, and presents the final temperature conditions. The work also considers the results of industrial tests for the developed processing technology and a complete technological chain involving the use of tilt rotary furnaces.

ковшевой шлакэлектропечной шлакклинкерчугунхимический составфазовый составтехногенные образованияladle furnace slagelectric arc furnace slagPortland clinkercast ironchemical compositionphase compositiontechnogenic formationsРабота проводилась по госзаданию ИМЕТ УрО РАН.The work was performed according to the state assignment of the Institute of Metallurgy of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences.ReferencesДемин Б.Л., Сорокин Ю.В., Зимин А.И. Техногенные образования из металлургических шлаков как объект комплексной переработки // Сталь. 2000. № 11. С. 99–102.Demin B.L., Sorokin Yu.V., Zimin A.I. Processing metallic-slag materials. Steel in Translation. 2000, vol. 30, no. 11, pp. 61–64.Смирнов Л.А., Сорокин Ю.В., Демин Б.Л. и др. Современные технологии и оборудование по переработке и использованию техногенных отходов металлургического производства // Труды Международного когресса «Фундаментальные основы технологий переработки и утилизации техногенных отходов»: ТЕХНОГЕН-2017. Екатеринбург: УрО РАН, 2017. С. 29–33.Smirnov L.A., Sorokin Yu.V., Demin B.L., etc. Modern technologies and equipment for the processing and use of industrial wastes of metallurgical production. In: Proc. of Int. Cong. “Fundamental Basics of Technologies for Technogenic Waste”: TECHNOGEN-2017. Yekaterinburg: UB RAS, 2017, pp. 29–33. (In Russ.).Гудим Ю.А., Голубев А.А., Овчинников С.Г. Современные способы безотходной утилизации сталеплавильных шлаков // Сталь. 2009. № 7. С. 93–95.Gudim Yu.A., Golubev A.A., Ovchinnikov S.G. Modern methods of wasteless steel slag utilization. Stal’. 2009, no. 9, pp. 93–95. (In Russ.).Егиазарьян Д.К., Шаманов А.Н., Шешуков О.Ю. и др. Анализ рафинировочных свойств и вязкости шлаков внепечной обработки стали // Сборник трудов 72-й Международной научнотехнической конференции «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования». Магнитогорск. 2014. Т. 1. С. 180–185.Egiazar’yan D.K., Shamanov A.N., Sheshukov O.Yu., etc. Analysis of the refining properties and viscosity of ladle furnace slag. In: Proc. of 72nd Int. Sci. Tech. Conf.“Actual Problems of Modern Science, Technics and Education”. Magnitogorsk, 2014, vol. 1, pp. 180–185. (In Russ.).Уфимцев В.М., Коробейников Л.А. Шлаки в составе бетона: новые возможности // Технологии бетонов. 2014. № 6. С. 50–53.Ufimtsev V.M., Korobeinikov L.A. Slags in concrete: new possibilities. Tekhnologii betonov. 2014, no. 6, pp. 50–53. (In Russ.).Клачков А.А., Красильников В.О., Зуев М.В. и др. Передовые технологии эксплуатации футеровки электросталеплавильной печи на примере ДСП-135 ОАО «Северский трубный завод» // Новые огнеупоры. 2012. № 3. С. 99–104.Klachkov A.A., Krasil’nikov V.O., Zuev M.V., etc. Advanced technologies for EAF lining operation on the example of EAF-135 of “Seversky Pipe Plant” OJSC. Novye ogneupory. 2012, no. 3, pp. 99–104. (In Russ.).Аксенова В.В., Сафонов В.М. Исследование равновесия системы «шлак-металл» перед выпуском из ДСП-160 // Современные проблемы горно-металлургического комплекса. Наука и производство. Материалы 13-й Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, 23-25 ноября 2016 г., Старый Оскол. Т. II. C. 15–18.Aksenova V.V., Safonov V.M. Balance of slag-metal system before tapping from EAF-160. In: Mater. of 13th Int. Russ. Sci.Pract. Conf. “Modern Problems of Mining and Metallurgical Complex”. Stary Oskol: 2016, vol. II, pp. 15–18. (In Russ.).Song Q., Shen B., Zhou Z. Effect of blast furnace slag and steel slag on cement strength, pore structure and autoclave expansion // Advanced Materials Research. 2011. Vol. 168-170. P. 17–20. http:// doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.168-170.17Song Q., Shen B., Zhou Z. Effect of blast furnace slag and steel slag on cement strength, pore structure and autoclave expansion. Advanced Materials Research. 2011, vol. 168-170, pp. 17–20. http://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.168-170.17Skaf M., Manso M.J., Aragon A., Fuente-Alonso J.A., OrtegaLópez V. EAF slag in asphalt mixes: A brief review of its possible re-use // Resources, Conservation and Recycling. 2017. Vol. 120. P. 176–185. http://doi.org/10.1016/j.resconrec.2016.12.009Skaf M., Manso M.J., Aragon A., Fuente-Alonso J.A., Ortega-López V. EAF slag in asphalt mixes: A brief review of its possible re-use. Resources, Conservation and Recycling. 2017, vol. 120, pp. 176–185. http://doi.org/10.1016/j.resconrec.2016.12.009Abu-Eishah S., El-dieb A., Bedir M. Performance of concrete mixtures made with electric arc furnace (EAF) steel slag aggregate produced in the Arabian Gulf region // Construction and Building Materials. 2012. Vol. 34. P. 249–256. http://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2012.02.012Abu-Eishah S., El-dieb A., Bedir M. Performance of concrete mixtures made with electric arc furnace (EAF) steel slag aggregate produced in the Arabian Gulf region. Construction and Building Materials. 2012, vol. 34, pp. 249–256. http://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2012.02.012Tsakiridis P.E., Papadimitriou G.D., Tsivilis S., Koroneos C. Utilization of steel slag for Portland cement clinker production // Journal of Hazardous Materials. 2008. Vol. 152. No. 2. P. 805–811. http://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2007.07.093Tsakiridis P.E., Papadimitriou G. D., Tsivilis S., Koroneos C. Utilization of steel slag for Portland cement clinker production. Journal of Hazardous Materials. 2008, vol. 152, no. 2, pp. 805–811. http://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2007.07.093Santamaría A., Rojí E., Skaf M., Marcos I., Gonzalez J.J. The use of steelmaking slags and fly ash in structural mortars // Construction and Building Materials. 2016. Vol. 106. P. 364–373. http://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.12.121Santamaría A., Rojí E., Skaf M., Marcos I., Gonzalez J.J. The use of steelmaking slags and fly ash in structural mortars. Construction and Building Materials. 2016, vol. 106, pp. 364–373. http://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.12.121Manso J.M., Gonzalez J., Polanco J. A. Electric arc furnace slag in concrete // Journal of Materials in Civil Engineering. 2004. Vol. 16. No. 6. P. 639–645. http://doi.org/10.1061/(ASCE)08991561(2004)16:6(639)Manso J.M., Gonzalez J., Polanco J. A. Electric arc furnace slag in concrete. Journal of Materials in Civil Engineering. 2004, vol. 16, no. 6, pp. 639–645. http://doi.org/10.1061/(ASCE)08991561(2004)16:6(639)Sheshukov O.Yu., Mikheenkov M.A., Egiazaryan D.K., Ovchinnikova L.A., Lobanov D.A. Chemical stabilization features of ladle furnace slag in ferrous metallurgy // KnE Materials Science. TECHNOGEN-2017. P. 59–64. http://doi.org/10.18502/kms.v2i2.947Sheshukov O.Yu., Mikheenkov M.A., Egiazaryan D.K., Ovchinnikova L.A., Lobanov D.A. Chemical stabilization features of ladle furnace slag in ferrous metallurgy. KnE Materials Science. TECHNOGEN-2017, pp. 59–64. http://doi.org/10.18502/kms.v2i2.947Михеенков М.А., Шешуков О.Ю., Лобанов Д.А. Шлаковые техногенные образования как материал для получения силикатных товарных продуктов и чугуна // Машиностроение. 2018. Т. 6. №. 1. С. 46–51.Mikheenkov M.A., Sheshukov O.Yu., Lobanov D.A. Slag technogenic formations as a material for the production of silicate products and pig iron. Mashinostroenie: setevoi elektronnyi nauchnyi zhurnal. 2018, vol. 6, no. 1, pp. 46–51. (In Russ.).Лобанов Д.А., Михеенков М.А., Шешуков О.Ю. и др. Особенности формирования шлаков черной металлургии и возможные пути улучшения технологии металлургического передела и комплексной переработки шлаков // XV Международный конгресс сталеплавильщиков. Сборник трудов к 100-летию Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» и 380-летию российской металлургии. 2018. С. 462–467.Lobanov D.A., Mikheenkov M.A., Sheshukov O.Yu., etc. Ferrous metallurgical slag formation and improving the technology of metallurgical treatment and slag complex processing. In: XV Int. Congr. of Steelmakers. Proc. devoted to the 100th Anniversary of NUST “MISiS” and to the 380th Anniversary of Russian Metallurgy. Tula: izd. RPK “PrintAP”, 2018, pp. 462-467. (In Russ.).Pontikes Y., Jones P. T., Geysen D., Blanpain B. Options to prevent dicalcium silicate-driven disintegration of stainless steel slags // Archives of Metallurgy and Materials. 2010. Vol. 55. No. 4. P. 1169–172. http://doi.org/10.2478/v10172-010-0020-6Pontikes Y., Jones P. T., Geysen D., Blanpain B. Options to prevent dicalcium silicate-driven disintegration of stainless steel slags. Archives of Metallurgy and Materials. 2010, vol. 55, no. 4, pp. 1169–1172. http://doi.org/10.2478/v10172-010-0020-6Shi C. Characteristics and cementitious properties of ladle slag fines from steel production // Cement and Concrete Research. 2002. Vol. 32. No. 3. P. 459–462. http://doi.org/10.1016/S0008-8846(01)00707-4Shi C. Characteristics and cementitious properties of ladle slag fines from steel production. Cement and Concrete Research. 2002, vol. 32, no. 3, pp. 459-462. http://doi.org/10.1016/S0008-8846(01)00707-4Skaf M., Ortega-López V., Fuente-Alonso J.A., Santamaria A., Manso J.M. Ladle furnace slag in asphalt mixes // Construction and Building Materials. 2016. Vol. 122. P. 488–495. http://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.06.085Skaf M., Ortega-López V., Fuente-Alonso J.A., Santamaria A., Manso J.M. Ladle furnace slag in asphalt mixes. Construction and Building Materials. 2016, vol. 122, pp. 488–495. http://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.06.085Menad N., Kanari N., Save M. Recovery of high grade iron compounds from LD slag by enhanced magnetic separation techniques // International Journal of Mineral Processing. 2014. Vol. 126. P. 1–9. http://doi.org/10.1016/j.minpro.2013.11.001Menad N., Kanari N., Save M. Recovery of high grade iron compounds from LD slag by enhanced magnetic separation techniques. International Journal of Mineral Processing. 2014, vol. 126, pp. 1–9. http://doi.org/10.1016/j.minpro.2013.11.001Artioli G., Bullard J.W. Cement hydration: The role of adsorption and crystal growth // Crystal Research and Technology. 2013. Vol. 48. No. 10. P. 903–918. http://doi.org/10.1002/crat.201200713Artioli G., Bullard J.W. Cement hydration: The role of adsorption and crystal growth. Crystal Research and Technology. 2013, vol. 48, no. 10, pp. 903–918. http://doi.org/10.1002/crat.201200713Вопросы утилизации рафинировочных шлаков сталеплавильного производства / О.Ю. Шешуков, М.А. Михеенков, В.И. Некрасов и др. Екатеринбург: УрФУ, 2017. 208 с.Sheshukov O.Yu., Mikheenkov M.A., Nekrasov I.V. Refining Slag Utilization: Monograph. Yekaterinburg: Ural Federal University, 2017, 208 p. (In Russ.).Новиков В. К., Невидимов В.Н. Полимерная природа расплавленных шлаков. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2006. 62 с.Novikov V.K., Nevidimov V.N. Polymer Nature of Molten Slags. Yekaterinburg: USTU-UPI: 2006, 62 p. (In Russ.).Урал-олово. Роторная печь. Режим доступа: https://ural-olovo.ru/projects/rotornaya-pech/rotornaya-pech/ (дата обращения: 14.12.2020).Ural-Tin. Rotary Furnace. Available at URL: https://ural-olovo.ru/projects/rotornaya-pech/rotornaya-pech/ (accessed: 14.12.2020). (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.