Пирометаллургическое получение ценностей из смесей шлаков вэльца, фаялита и Линц‑Донавиц

Преобразование отходов металлургических заводов в новые ресурсы

По всему миру сталелитейные и цветные металлургические предприятия образуют горы стекловидных, камнеподобных остатков — шлаков. Такие отвалы часто оказываются на свалках, занимая место и постепенно выделяя следовые металлы в окружающую среду. В этом исследовании показано, что три из наиболее распространённых шлаков можно плавить вместе в электрической печи, чтобы извлечь ценные металлы — железо, медь и ванадий — и при этом получить безопасные материалы для строительства и керамики. Это пример того, как тяжёлая промышленность может сдвинуться в сторону настоящей круговой экономики.

Почему эти промышленные отвалы важны

Шлаки от переработки цинка (вэльц‑шлаки), производства стали (шлаки Линц‑Донавиц, LD) и производства меди (фаялитовые шлаки) образуются в десятках миллионов тонн ежегодно. Они содержат полезные металлы, но также элементы, способные нанести вред при вымывании в почву и воду. В настоящее время лишь часть таких материалов повторно используется в строительстве; большая часть складируется. Авторы утверждают, что рассматривая шлаки как комбинированную вторичную руду, а не как отход, можно сократить спрос на свежеизвлекаемые полезные ископаемые и уменьшить долговременную экологическую нагрузку от мест захоронения.

Разработка оптимальной «коктейльной» шлаковой смеси

Основная идея — смешивать три типа шлаков так, чтобы при нагреве они сами выступали в роли флюса — материала, который определяет текучесть расплава и эффективность отделения металла от шлака. Команда использовала свободное ПО (R) и промышленные термодинамические инструменты для подбора соотношений, дающих простую цель: баланс между обогащённой известью и кремнезёмом, обеспечивающий достаточную текучесть при 1450 °C без добавления новых минералов из карьеров. Все рабочие комбинации нанесли на треугольные диаграммы, показывающие, где смесь полностью плавится и насколько вязкой она будет. Эти диаграммы служат картой рецептов для операторов заводов, указывая, какие смеси попадают в «зону оптимума» для гладкого плавления.

Наблюдение за ростом металлических капель в расплаве

Чтобы проверить разработки, исследователи сначала провели небольшие плавки в трубчатых печах, затем масштабировали лучшую смесь до двухкилограммового опыта в индукционной печи — по принципу близкой к промышленной электродуговой сталеплавильной технологии. Они использовали рентгеновскую компьютерную томографию, трёхмерный метод визуализации, аналогичный медицинскому КТ, чтобы заглянуть внутрь отвердевших образцов без раскалывания. На этих изображениях плотный металл выглядит ярким, а более лёгкий шлак — тёмным, что позволяет увидеть, как формируются, движутся, сталкиваются и сливаются металлические капли в более крупные самородки. Сравнив десять разных смесей, они обнаружили, что размер и положение металлических самородков зависят от тонкого баланса между вязкостью шлака и степенью взаимного отталкивания металла и шлака на их границе.

Поиск лучшей смеси для извлечения металлов

Химическое моделирование и эксперименты показали, что железо практически полностью восстанавливается во всех смесях, но в некоторых случаях остаётся запертым в виде множества мелких капель, рассеянных в вязком шлаке. Смеси с оптимальным содержанием магнийсодержащих компонентов и умеренной вязкостью позволяли каплям сливаться в крупные плотные самородки, которые оседают на дно и легко извлекаются. Одна смесь — примерно 41% LD‑шлака, 10% вэльц‑шлака и 48% фаялитового шлака — выделялась. В увеличенном индукционном опыте этот рецепт дал примерно 700‑граммовый металлический самородок, в основном состоящий из железа с заметными примесями марганца, меди и ванадия. Цинк при этом уходил в газовую фазу в виде дымов, которые можно собрать отдельно.

От чёрного стекла к кирпичам и фарфору

Оставшийся после плавки шлак оказался не только более чистым, но и полезным. Команда проверила, насколько легко металлы выщелачиваются из исходного шлака и из его слегка обожжённой версии, используя стандартные экологические процедуры США и Европы. Необожжённый шлак соответствовал строгим критериям, чтобы считаться неопасным и приемлемым в качестве зернистого строительного материала по требованиям США, Великобритании и Германии. При повторном нагреве шлака на воздухе при 900 °C внутренние минералы трансформировались в фазы, характерные для керамических тел и фарфора, включая альбит и анортит. Это указывает на возможные применения в плитке, глазурях и других инженерных керамиках, хотя эти применения ещё требуют практических испытаний.

Замыкание цикла в тяжёлой промышленности

В практическом плане исследование демонстрирует, что смеси трёх основных промышленных шлаков можно плавить в электронагреваемой печи для получения ванадиевого чугуна — потенциального сырья для сталеплавильного производства — одновременно генерируя вторичный шлак, безопасный для строительства и перспективный для керамики. Тщательная настройка простых соотношений компонентов вместо добавления свежих флюсов снижает как затраты, так и экологическое воздействие. Работа предлагает шаблон того, как металлургические предприятия могут превратить длительно хранимые отвалы в потоки новых продуктов, помогая замкнуть материальные циклы в одном из наиболее ресурсозатратных секторов экономики.

Цитирование: Romero, J.L., Recksiek, V., Debastiani, R. et al. Pyrometallurgical valorization of waelz, fayalite, and linz-donawitz slag mixtures. Sci Rep 16, 9539 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44763-3

Ключевые слова: утилизация шлаков, круговая экономика, пирометаллургия, восстановление металлов, переработка промышленных отходов