Рециклинг. Технологии переработки и утилизации техногенных образований и отходов в черной металлургии

МИНИСТЕРСТВО ОБРА ЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
П.И. Черноусов
Рециклинг.
Технологии переработки
и утилизации техногенных 
образований и отходов
в черной металлургии
Монография
Москва  2011

УДК 669.054.8
 
Ч-49
Р е ц е н з е н т
д-р техн. наук, проф. А.Н. Пыриков, 
д-р техн. наук,  проф. А.Н. Селезнев
Черноусов, П.И.
Ч-49  
Рециклинг. Технологии переработки и утилизации техногенных 
образований и отходов в черной металлургии : моногр. / 
П.И. Черноусов. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2011. – 428 с.
ISBN 978-5-87623-366-0
Изложена методология анализа рециклинга и элементопотока черных металлов 
в техносфере исходя из новой парадигмы развития черной металлургии, 
базирующейся на принципах Инициативы 3R и экологически чистого 
производства. Разработана имитационная модель рециклинга железа и выполнены 
исследования экологических сценариев развития черной металлургии в 
первой половине XXI в. Предложены методика анализа фазовых превращений 
элементов-микропримесей в доменном процессе и методика определения 
мощности техногенных месторождений в металлургических регионах. Описаны 
оригинальные технологические схемы переработки техногенных образований 
на базе шахтных печей. Рассмотрены особенности рециклинга вторичных 
ресурсов нового поколения: автомобилей и электронных и электробытовых 
приборов. 
Предназначена для научных и инженерно-технических работников, студентов 
технических вузов, а также читателей, интересующихся проблемой 
устойчивого развития современной индустриальной цивилизации.
УДК 669.054.8
ISBN 978-5-87623-366-0
© Черноусов П.И., 2011

ОГ
ЛАВЛЕНИЕ
Список принятых сокращений ............................................................................6
Введение ................................................................................................................9
Глава 1. Формирование современной методологии оценки эффективности 
технологий, процессов и продуктов черной металлургии с точки зрения 
концепции экологически чистого производства .............................................. 11
1.1. Устойчивое развитие и экологически чистое производство 
...................11
1.2. Выбросы в окружающую среду 
.................................................................16
1.3. Обращение с отходами, техногенные ресурсы и месторождения .........20
1.4. Концепция общества с оборотным использованием ресурсов ..............28
1.5. Интегрированная политика производства экопродукта 
..........................33
1.6. Экобаланс и анализ жизненного цикла изделия ......................................38
1.7. Инициатива 3R и новая парадигма черной металлургии .......................42
1.8. Методология анализа техногенного элементопотока металлов 
.............48
Глава 2. Глобальные элементопотоки металлов в техносфере .......................58
2.1. Ноосфера: движение вещества, энергии, информации 
...........................58
2.2. Металлизация биосферы ............................................................................63
2.3. Глобальный элементопоток железа ...........................................................67
2.4. Глобальный элементопоток хрома 
.............................................................74
2.5. Глобальный элементопоток марганца 
.......................................................82
2.6. Элементопоток ванадия в техносфере ......................................................91
2.7. Элементопоток галлия в техносфере ........................................................95
2.8. Сопоставительная количественная оценка элементопотоков черных 
металлов в природной и техногенной среде 
....................................................98
Глава 3. Движение макро- и микроэлементов на современном 
интегрированном предприятии черной металлургии 
......................................99
3.1. Современные схемы утилизации текущих и накопленных отходов
на отечественных и зарубежных интегрированных предприятиях 
..............99
3.2. Макро- и микроэлементы в черной металлургии 
..................................104
3.3. Методика определения параметров элементопотоков
для предприятий черной металлургии. Элементопоток железа .................109
3.4. Элементопоток марганца ..........................................................................116
3.5. Элементопоток галлия ..............................................................................119
3.6. Баланс углерода и методология оценки энергоэффективности 
производства черных металлов и выбросов СО2 
..........................................122
3.7. Оценка возможности энергосбережения при очистке
металлургических газов от пыли 
....................................................................133
Глава 4. Микроэлементы в доменной плавке .................................................137
4.1. Методология комплексных исследований поведения
микроэлементов в сложных металлургических системах на примере 
доменной плавки 
...............................................................................................137
4.2. Принципиальная схема поведения микроэлементов в доменной
плавке .................................................................................................................146
4.3. Галлий .........................................................................................................155

4.4. Стронций. ...................................................................................................165
4.5. Свинец 
.........................................................................................................173
4.6. Мышьяк ......................................................................................................176
4.7. Фосфор 
........................................................................................................178
Глава 5. Прогноз образования и оценка мощности техногенного 
месторождения для металлургического региона ...........................................189
5.1. Прогноз образования техногенного месторождения на территории 
металлургического региона 
.............................................................................189
5.2. Оценка мощности техногенного месторождения для 
металлургического региона (на примере ОАО «Северсталь») ...................193
Глава 6. Технологические схемы переработки техногенных
образований на базе шахтных печей ...............................................................207
6.1. Техногенные материалы – перспективное сырье металлургии 
ближайшего будущего 
......................................................................................207
6.2. Доменная печь – агрегат XXI в.  ..............................................................211
6.3. Печи малого объема – будущее доменного производства ....................214
6.4. Ресурсосберегающая технология утилизации шламов
гальванического производства с использованием МДП 
..............................232
6.5. Вагранки и решение проблемы утилизации цинксодержащих 
металлургических пылей 
.................................................................................237
Глава 7. Пирометаллургические способы утилизации отходов 
энергетической промышленности 
...................................................................247
7.1. Ванадий в продуктах нефтепереработки и золах ТЭС 
..........................247
7.2. Технологии извлечения ванадия из техногенного сырья 
......................252
7.3. Экспериментальные исследования ванадийсодержащих ЗШО 
...........256
Глава 8. Вторичные ресурсы нового поколения 
.............................................264
8.1. Международный опыт организации авторециклинга ...........................264
8.2. Современная технологическая схема авторециклинга..........................275
8.3. Оценка ресурсов авторециклинга в России 
............................................282
8.4. Электронные и электробытовые отходы 
.................................................291
Глава 9. Прогнозные сценарии развития черной металлургии
и рециклинга железа в техносфере .................................................................302
9.1. Развитие моделей, описывающих потребление металлолома
в черной металлургии ......................................................................................302
9.2. Проблема учета в экобалансе стадии рециклинга металлолома 
..........322
9.3. «Имитационная модель рециклинга» вторичных ресурсов черной 
металлургии в Обществе рециклинга ............................................................332
9.4. Анализ влияния различных факторов на параметры рециклинга 
вторичных ресурсов железа 
.............................................................................337
Библиографический список .............................................................................354
Приложение 1. Металлургические материалы, учитываемые
в блок-схеме математического описания «ПОТОК» .....................................377
Приложение 2. Содержание галлия в металлургических материалах 
Качканарского ГОК и ОАО НТМК по данным Гиредмета 
............................382

Приложение 3. Баланс углерода металлургических предприятий
и ГОКов России 
.................................................................................................383
Приложение 4. Содержание элементов-микропримесей
в металлургических материалах 
......................................................................386
Приложение 5. Характерные балансы микроэлементов при выплавке 
передельного чугуна .........................................................................................399
Приложение 6. Лабораторные образцы, содержащие галлий 
.......................403
Приложение 7. Схема элементопотока свинца в доменной плавке 
..............405
Приложение 8. Химический состав гальваношламов некоторых 
промышленных предприятий г. Кургана ........................................................406
Приложение 9. Характерный состав ванадийсодержащих ЗШО ТЭС ........407
Приложение 10. Основные положения европейской Директивы 2000/53/EC ..... 408
Приложение 11. Распределение некоторых элементов-металлов
в результате авторециклинга 
............................................................................409
Приложение 12. Описание составляющих элементов/подсистем 
имитационной модели рециклинга  ................................................................410
Приложение 13. Исходные данные для расчета движения железа в 
экономике Японии в период 1958 – 2008 гг. 
...................................................426

Список принятых сокращений
3R – три приоритетных направления «Индустриального общества циркуляционного 
типа»: reduce, reuse, recycling (recycling – оборотное использование, 
reuse – повторное использование, reduce – переработка, утилизация); 
в последнее время часто добавляют четвертое R – recovery – восстановление
AHSS – Advanced High Strength Steels – многофазные стали – эффектив-
ные высокопрочные стали, которые обладают повышенным уровнем проч-
ности при хороших пластических свойствах
ВАТ – Best available technology – лучшая из осуществленных на практике 
технологий
BDSV е.V. – Bundesvereinigung Deutscher Stahlrecycling und Entsorgungsun-
ternehmen e.V – Федеральное объединение немецких предприятий по реци-
клингу лома черных металлов и избавлению от отходов
BIR – Bureau International Recycling – Международное бюро по рециклин-
гу отходов
ВРТ – Best practicable control technology currently available – лучшая из 
возможных технологий 
BREF – Best available techniques reference – ссылка на наилучшие имею-
щиеся технологии
cradle to gate – от истока до выхода – методика расчета затрат различных 
ресурсов на технологические процессы
CSR – Corporate Social Responsibility – корпоративная социальная ответ-
ственность – составная часть концепции экокомбината для передовых пред-
приятий Европы
DSD – Dual System Deutschland – Немецкая двойная система, занимаю-
щиеся утилизацией и сепарацией упаковочных отходов
DUX – итоговый индекс, характеризующий состояние окружающей сре-
ды, предложенный Комиссией ООН по устойчивому развитию для макроэко-
номических систем отчетности
EBRD – European Bank for Reconstruction and Development – Европейский 
Банк реконструкции и развития (ЕБРР) 
EINECS – European Inventory of Existing Commercial Chemical Substances 
– база данных предварительной регистрации опасных веществ в рамках ре-
гламента REACH
ELV – End of Life Vehicle – Директива ЕС по утилизации отслуживших 
автомобилей 2000]53]ЕС
ELV – Emission Limit Value – предельные величины выбросов во все при-
родные среды, Директива 96/61/ЕС
EMAS – Community ecomanagementand audit scheme – О добровольном 
участии предприятий в системе экологического менеджмента и аудита (Ди-
ректива ЕС 1836/93)
ЕР – end-of-pipe – на конце трубы

EPA – Environmental Protection Agency – Управление охраны окружающей 
среды, США
ESID – Ecologically sustainable industrial development – устойчивое эколо-
гически безопасное промышленное развитие
EWC – European Waste Catalogue – Европейский каталог отходов (Дирек-
тива ЕС 94[3]ЕС)
HWL – Hazardous Waste List – Перечень опасных отходов (Директива 
94/904/ЕС)
IISI – International Iron and Steel Institute – Международный институт чер-
ной металлургии
IPM – Impact Pathway Methodology – методология последовательности 
воздействия
IPP – Integrated Product Policy – Интегрированная политика производства 
продукта, устанавливающая экологические стандарты изделий с учетом все-
го жизненного цикла изделия (ЖЦИ)
IPPC – Integrated Prevention and Pollution Control – Комплексное преду-
преждение и регулирование загрязнений (Директива 96/61/ЕС)
ISWA – International Solid Waste Association – Международная ассоциация 
по переработке твердых отходов
LCA – Life Cycle Analysis (Assessment) – Анализ жизненного цикла изде-
лия (оценка жизненного цикла)
LCI – Life Cycle Inventory Analysis – анализ – инвентаризация жизненно-
го цикла
МАСТ – Maximum achievable control technology – лучшая на данном эта-
пе технология охраны окружающей среды
NMAB – National Materials Advisory Board – Национальный консульта-
тивный совет по материаловедению
NSB – New Steel Body – проект сверхлегкого автомобильного кузова ком-
пании ThyssenKrupp Stahl AG
OTA – Offi
 ce of Technology Assessment – Бюро технической оценки про-
ектов при Конгрессе США
PI – Prevention Integrated Technology – мероприятия по охране окружа-
ющей среды, встроенные в технологический процесс
PRTR – Pollutant Release and Transfer Registers – регистр выбросов и пере-
носа загрязнителей (Япония) 
REACH – Registration, Evaluation, Authorization and Restriction of Chemi-
cals – Регламент по Регистрации, Оценке, Уничтожению и Ограничению Хи-
мических веществ
StEP – Solving the E-waste Problem – решение проблемы электронного му-
сора
TA-Luft – Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft – нормативное по-
ложение ЕС по защите воздушного бассейна

TRI – Toxic Release Inventory – Кадастр токсичных выбросов (США) 
Ulcos – ultra low СО2 steelmaking – производство стали со сверхнизким 
объемом выбросов СО2 (программа Международного института черной ме-
таллургии)
ULSAB – UltraLight Steel Auto Body – сверхлегкий стальной кузов авто-
мобиля.
USGS – Mineral Commodity Summaries – Геологическая служба США
UVP – GVP – концепция аудиторской проверки технологий и производств 
на совместимость: с окружающей средой – UVP – Umweltverträglichkeitsprü-
fung и требованиями здоровья – GVP; составная часть международной серии 
стандартов ISO14000.
VDEh – Verein Deutscher Eisenhüttenleute – Общество немецких метал-
лургов
WFD – Waste Framework Directive – Рамочная директива ЕС по отходам

ВВЕДЕНИЕ
Наступившее тысячелетие окончательно утвердило глобальный под-
ход к оценке эффективности использования и управлению вторичны-
ми ресурсами, важнейшими из которых являются ресурсы вторичных 
металлов. В последнее десятилетие активно разрабатываются теоре-
тические основы организации рециклинга как необходимой составной 
части экологически чистого производства. Получили развитие инно-
вационные концепции «Общества рециклинга» («Общества с оборот-
ным использованием ресурсов»), «Экогорода», «Экопродукта», «Эко-
комбината», «Венозного потока вторичных сырьевых материалов». Их 
реализация осуществляется на базе передовых научных разработок ди-
намических математических моделей жизненного цикла изделий с ис-
пользованием методологии «экологических сценариев».
В передовых индустриальных странах (ЕС, Японии, США) приня-
ты законы, нормирующие методы переработки автомобилей, электро-
бытовых и электронных отходов (ЭЭО), упаковочных, строительных 
и пищевых вторичных ресурсов. Таким образом, законодательно за-
кладывается фундамент экономической системы, ориентированной 
на рециклинг. В качестве приоритетных подходов в отношении вто-
ричных ресурсов упомянутые законы определяют: 
1) оборотное использование (recycling); 
2) утилизацию (reuse), в том числе тепла; 
3) восстановление вторичных материалов (recovery); 
4) ограничение образования и безопасное для окружающей среды 
и человека депонирование отходов (reduce).
Ключевыми принципами экологически чистого производства 
(ЭЧП) являются ресурсосбережение, рациональное обращение с от-
ходами, снижение выбросов в окружающую среду и рециклинг. Эти 
принципы являются основополагающими понятиями при обучении 
как в технических, так и в гуманитарных вузах.
В основу инновационной концепции экогородов положена мето-
дология глобального рециклинга техногенных материалов. Среди 
типовых экогородов Японии особое место заняли города, системы 
оборотного использования ресурсов которых базируются на металлур-
гических технологиях. Для реализации концепции экогородов на базе 
металлургических технологий организован Специальный комитет по 
изучению перспектив экотехнологии в металлургии. В разработанной 

комитетом стратегии развития технологий рециклинга отмечается, что 
металлургия представляет собой технологический комплекс, в котором 
представлены многочисленные специальные области, включая техно-
логию металлов, материаловедение, машиностроение, электротехнику, 
информационные технологии. Металлургические процессы отлича-
ются большой энерго- и материалоемкостью, и отрасль в целом рас-
полагает уникальными возможностями с точки зрения использования 
в качестве вторичного сырья отходов других производств. Обществен-
ная система рециклинга, использующая в качестве основы металлур-
гические технологии и инфраструктуру, получила название «экокомби-
нат». Совершенствование экокомбинатов уже в ближайшем будущем 
потребует существенной модернизации металлургических технологий. 
Естественным этапом создания общества с оборотным использованием 
ресурсов стало формирование и законодательное оформление инфра-
структуры транспортной системы рециклинга получившей название 
«Венозный поток вторичных сырьевых материалов».
Рециклинг является ключевым понятием в охране окружающей 
среды в металлургии. Производство металлов от обогащения сырья и 
во всех последующих переделах является процессом, для которого тре-
буются большие количества сырьевых и вспомогательных материалов. 
Рециклинг представляет собой стратегию, позволяющую справиться с 
большими потоками материалов и связанными с этим факторами воз-
действия на окружающую среду.
Современные центры рециклинга, которые функционируют во 
многих регионах мира, особое внимание уделяют проблеме пере-
работки сложного лома и смешанных отходов цветных металлов, а 
также мелкодисперсных отходов шредирования. Для их решения ор-
ганизуются специальные международные проекты под эгидой ООН. 
Например, в 2007 г. начал разрабатываться проект «StEP» (Solving the 
E-waste Problem – решение проблемы электронного мусора).
Для технологов-металлургов особую актуальность и научный ин-
терес представляют вопросы промышленной переработки вторич-
ных 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 ме-
таллов.

Глава 1. ФОРМИРОВАНИЕ СОВРЕМЕННОЙ 
МЕТОДОЛОГИИ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ 
ТЕХНОЛОГИЙ, ПРОЦЕССОВ И ПРОДУКТОВ 
ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ 
КОНЦЕПЦИИ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО 
ПРОИЗВОДСТВА
1.1. Устойчивое развитие
и экологически чистое производство
Проблемы охраны окружающей среды и экономного использова-
ния ресурсов рассматриваются совместно начиная со второй полови-
ны XX в. Принято считать, что экологические проблемы стали при-
оритетом с 1972 г., когда состоялась первая всемирная конференция 
ООН по состоянию окружающей среды [1–14].
Формирование мировой концепции охраны природы и ресурсосбе-
режения представляет собой «общемировой процесс, базис которого 
определился достижениями в кибернетике (анализ сложных систем), 
экологии (системный подход к биосферным процессам) и технике 
(научно-техническая революция)». Обобщенную схему этого процес-
са часто представляют в виде цепочки: контроль (end-of-pipe – ЕР) – 
предотвращение (экологически чистое производство – ЭЧП) – управ-
ление (устойчивое развитие) [5–9, 14].
В настоящее время концепция устойчивого развития является 
основой системы хозяйствования практически для всех стран мира. 
Развитие цивилизации, приемлемое для сохранения окружающей 
природной среды, должно реализовываться независимо от границ 
государств и в промышленно развитых странах, и в странах третьего 
мира. Перечень проблем, решение которых необходимо для устойчи-
вого развития, был утвержден на встрече руководителей стран-членов 
ООН в 1992 г. в Рио-де-Жанейро (Бразилия) в виде декларации «Agen-
da 21» и в последствии подтвержден конкретными законодательными 
актами отдельных государств [13–15].
Конкретизация концепции устойчивого развития выразилась в раз-
работке модели устойчивого экологически безопасного промышлен-

ного развития (Ecologically sustainable industrial development – ESID). 
Принятие ESID означает начало эпохи экологически чистого произ-
водства, или экологически чистых технологий. Программа ЮНИДО 
определяет экологически чистое производство как «непрерывное ис-
пользование совокупной превентивной стратегии защиты окружаю-
щей среды для процессов и изделий с целью снижения рисков для че-
ловека и окружающей среды» (1992).
Конференция по ЭЧП в Оксфорде, прошедшая в сентябре 
1996 г. [16,17], подтвердила приведенное выше определение и дала 
следующее его расширенное толкование. Применительно к произ-
водственным процессам ЭЧП означает сокращение материальных 
и энергетических затрат, исключение из производственного про-
цесса токсичных сырьевых материалов и уменьшение количества и 
уровня токсичности всех выбросов и отходов до их выхода из про-
изводственного процесса. Применительно к продукции ЭЧП озна-
чает уменьшение негативного воздействия в течение всего жиз-
ненного цикла изделия (ЖЦИ), начиная от добычи сырья для его 
производства и заканчивая удалением, когда продукт становится 
отходом или вторичным ресурсом. Применительно к сфере услуг 
ЭЧП означает соблюдение экологических норм при разработке и 
предоставлении услуг.
Широкое использование определения «устойчивое развитие» вы-
звало распространение и частое употребление понятия «устойчи-
вое производство». Термины «экологически чистое производство» и 
«устойчивое производство» можно считать синонимами [6–8, 14].
В основу общепризнанной концепции ЭЧП в настоящее время 
положены разработанные в США в 80 годах ХХ в. принципы ор-
ганизации производственных процессов в соответствии с техноло-
гиями ВАТ и ВРТ. В 1990 г. Конгресс США принял Закон о чистом 
воздухе, определив 189 токсичных загрязнителей (Кадастр токсич-
ных выбросов – TRI), и Управлению охраны среды (EPA) было по-
ручено выработать национальные стандарты на выбросы, основан-
ные на определении «максимально достижимая технология охраны 
окружающей среды» – МАСТ (впоследствии – ВРТ – лучшая из 
возможных технологий). Было впервые официально введено поня-

тие ВАТ (Best available technology) – лучшая из осуществленных на 
практике технологий. При лицензировании эксперты стали сравнивать 
предлагаемую для использования в производстве технологию 
с ВАТ [16,17].
В Европе концепция ВАТ была принята в результате Директивы 
92/61/ЕС (IVU), главными документами которой стали материалы 
под названием «Наилучшие имеющиеся технологии» (ВАТ) и «Ссылка 
на наилучшие имеющиеся технологии» (Best available techniques 
reference – BREF) [17]. Концепция получила дальнейшее развитие 
в Директиве 96/61/ЕС от 24 сентября 1996 г. – «Комплексное предупреждение 
и регулирование загрязнений» (Integrated Prevention and 
Pollution Cont 
rol – IPPC). Директива IPPC изменила технологию контроля 
и регулирования предельных величин выбросов путем ввода 
новых параметров, характеризующих «конечные технологии» – улавливание 
пыли отходящих газов, захоронение отходов и др. Целью 
IPPC в области охраны окружающей среды является стремление к более 
чистому производству (Cleaner production), осуществляемому по 
передовым промышленным технологиям. Таким образом, директива 
IPPC направлена на предупреждение образования отходов и сниже-
ние соответствующих производственных затрат, т.е. ресурсосбереже-
ние [18–24].
Директива IPPC распространяется на шесть основных категорий 
промышленного производства:
1) энергетику;
2) производство металлов;
3) обработку металлов;
4) обработку минеральных ресурсов;
5) химическую промышленность;
6) другие (целлюлозно-бумажную и пищевую промышленность, 
отрасли сельскохозяйственного производства).
Общие принципы директивы IPPC, определяющие условия экс-
плуатации промышленного оборудования, следующие:
– должны быть приняты все соответствующие предупредительные 
меры против загрязнения окружающей среды и в особенности с при-
менением наилучших разработанных технологий (BAT);