第三章金属材料和冶金流程的环境

冶金流程的环境协调化金属材料与3.1金属类生态环境材料3.2钢铁清洁生产的环境协调性3.3环境协调的铝电解生产技术3.4镁工业的环境特征3.5冶金工业废渣的综合利用3.6再生金属资源利用第三章金属材料和冶金流程的环境协调化环境问题3.1金属类生态环境材料发展趋势合金元素无害化̖̖̖̖̖̖̖̖̖̖̖̖̖̖̖̖̖̖̖̖̖̖̖̖̖、资源丰富和易于再生工艺技术的结构调整发展高效率使用的金属材料无铅焊料无铬表面处理钢添加元素无毒无害化无铅机械加工钢合金元素无毒化、资源丰富、易于再生循环使用无铅焊料：在几个世纪前，人们从医学和化学上认识了铅（Pb）的毒性。限制了它的使用。现在电子封装业面临同样的问题：焊料合金中的铅是否真正威胁到人们的健康以及环境的安全。答案不明确，但无铅焊料已经在使用。欧洲委员会初步计划在2008年强制执行，电子封装业要为将来的变化作准备。无铅焊锡化学成份48Sn/52In42Sn/58Bi91Sn/9Zn93.5Sn/3Sb/2Bi/1.5Cu95.5Sn/3.5Ag/1Zn93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu99.3Sn/0.7Cu95Sn/5Sb65Sn/25Ag/10Sb96.5Sn/3.5Ag熔点范围118°C共熔138°C共熔199°C共熔218°C共熔218~221°C209°~212°C227°C232~240°C233°C221°C共熔说明低熔点、昂贵、强度低已制定、Bi的可利用关注渣多、潜在腐蚀性高强度、很好的温度疲劳特性高强度、好的温度疲劳特性高强度、好的温度疲劳特性高强度、高熔点好的剪切强度和温度疲劳特性摩托罗拉专利、高强度高强度、高熔点97Sn/2Cu/0.8Sb/0.2Ag226~228°C高熔点现常用无铅焊料无铅机械加工钢不仅焊料需要无铅，其他任何合金，只要废弃时不经重新熔炼就不允许铅的迁移。无铅机械加工钢是指钢中的铅用其他元素或机理替代的钢材。最有希望的替代物是S-Ca-六方氮化硼。无铬表面处理钢尽管电镀钢板面的铬酸盐层有耐锈蚀的优良特点，但在粉碎或煅烧过程中，一小部分氧化铬有变成六价铬的危险。钢材生产者研制了无铬电镀钢板，它具有与传统铬钢材相似的性能。合金元素再生循环性的选择•对于钢铁材料而言，可将杂质元素分成四类：与沸点和蒸气压等关的元素几乎全部残留钢中的元素Cu、Ni、Co、Mo、W、Sn、As不能完全除去的元素Cr、Mn、P、S、C、H、NZn、Cd、Pb、Sb从钢中几乎能全部除去的元素Si、Al、V、Ti、Zr、B、Mg、Ca、Nb、RE等采用资源丰富、廉价易得的元素代替昂贵稀缺合金元素，研究开发具有高性能、低环境负荷的新钢种。钢中加入Si后（10.%-2.0%)(质量分数），可以提高钢的二次硬化效应，并使二次硬化的峰值含量向低含量方向移动，抗氧化强度提高，还降低对材料的韧-脆转变温度，可代替部分贵重金属W和Mo等资源，对环境协调发展具有重要作用。核心节能降耗﹑紧凑流程﹑降低排放﹑改善环境措施采用干熄焦和小球烧结等技术推进以高炉喷煤为中心的节焦措施炼钢以连铸为中心，采用三位一体：炼钢﹑精炼﹑连铸轧钢采用热衔接选用消耗较低的资源和能源﹑减少三废排放发展方向冶金短流程化工艺技术的结构调整目的节约能源和资源途径发展目标强度﹑韧性同时提高一倍，并保持使用寿命延长一倍高洁净﹑均匀化﹑超细晶发展高效率使用的金属材料500MPa碳素钢先进工业化制造技术鞍钢济钢宝钢首钢在973－863联合模式下，突破大品种钢铁材料强韧化关键技术（合金成分设计和组织细化），200MPa级碳-锰普通钢提高到400-500MPa级超级钢2004年生产超级钢30-40万吨，大幅度超额完成了计划目标，产值达10亿元，为2005年百万吨超级钢奠定了良好的基础。十一五将实现线/板材1000万吨，预计直接产值200-300亿。500MPa超级钢已应用于国家大剧院。“十五”863的实施，使现有200MPa级的碳素钢的强度提高到400-500MPa，实现性能翻一番，并节省了合金元素、大幅度降低了钢材的使用成本。用超级钢替代微合金钢，每吨可以降低成本200－300元。“十五”末期初步形成20～30亿的产值生产，可节省资金2～3亿。我国每年仅建筑用钢近亿吨，采用超级钢将大大节约资金和能源。什么是清洁生产？•清洁生产是一种创造性的思想，指将整体预防的环境战略持续应用于生产过程、产品及服务中，以增加生态效率和减少对人类和环境的危害风险3.2钢铁生产的环境协调性IronandSteelMaking自然稀释扩散工业生态学可持续发展通向可持续发展的不同阶段污染控制清洁生产概念对生产过程及其产品连续地实施集成的﹑预防性的环境保护战略，以减少生产对人类极其环境的风险产品过程节约原料和能源﹑革除有毒原材料的使用，减少各种飞舞排放量和危害性减少从生产原料到产品报废后最终处理的“产品生命周期”对人类及其环境的不利影响目的最大限度提高资源的利用率和减少环境的不利影响清洁生产製程能源消耗廢棄物處理廢水處理處理防護清洁生产清洁原材料和能源选择无污染和少污染的替代产品和清洁工艺﹑设备提高物质流的资源﹑能源综合利用率减少污染﹑提高产出钢铁工业清洁生产钢铁工业清洁生产炼钢工艺技术及连铸技术3.3环境协调的铝电解生产技术（铝电解反应式）绿色化学反应思索新的选择2Al203=4Al+302低温电解和惰性电极结合铝电解工艺的环境改善铝电解工艺的环境改善大型预焙槽发展低温电解技术铝电解烟气净化电解质烟罩阳极C熔融态铝钢壳耐火材料阴极C钢导电棒铝电解槽铝电解烟气净化电解槽CO2﹑Na5Al3F14HF布袋集尘器排出依附后的载氟氧化铝布袋集尘器烟气吸附剂惰性阴极材料硼化钛涂层阴极：近年来硼化钛已被公认为是最合适的惰性阴极材料。TiB2含量30%以上就足以改善对铝液的湿润性。可润湿阴极：它与铝熔体的湿润性好，铝液可在其上形成一层薄层。这样，在新型槽的阴极上就不需要厚的铝液层，磁场的作用几乎降为零，磁场对铝液层不能起扰动作用，铝液面保持平整，因此极距可以大为降低，节约大量电能。环境协调的铝电解技术新材料惰性阳极材料惰性阳极主要困难是没有合适的电极材料。这种电极材料要求能经受1000℃以上熔融氟化物的浸蚀和新生态氧的渗蚀，还要求有良好的电导率和抗热震性。金属氧化物陶瓷如果能开发出惰性阳极电解槽，阳极产物将是氧气，这对现行电解工艺中放出CO2来说，消除CO2排放是革命性的改革。它兼有陶瓷和金属的优点。但金属陶瓷制备困难，在加工中须防止金属微粒的氧化。采用粉末冶金技术生产惰性阳极仍是有效方法。关键在于使金属基体表面生成保护层，使金属阳极在电解环境中保持相对稳定。金属氧化物陶瓷以陶瓷为基体掺杂金属组成，是陶瓷相和金属相的混合物，兼有陶瓷的抗腐蚀性和金属的优良导电性，抗热震性好。目前的研究以TiB2/Cu粉(A%)+Fe粉(B%)/NiO2-NiFe2O4型双极性电极效果最佳。镁资源丰富占地壳质量21%地壳中按量排序第八在溶解的矿物质中排第三位白云石遍布全国3.4镁工业的环境特征镁矿的特点镁冶金的环境负荷镁冶金的环境负荷镁冶炼的环境负荷镁冶金废弃物的综合利用镁精炼的环境负荷熔盐电解法改“三废”排放型向综合型发展制备优良电解原料采用无隔板电解槽内热法含Cl2、HCl、氯盐废渣、酸性废水、含铬废水硅热还原法外热法半连续法保护性气氛SO2采用SF6、CO2混合气体代替SO2镁制品的环境效能0510152025303540451995199619971998199920002001200220032004年份产量(万吨)镁1995-2004年中国镁出口量49%14%17%18%AlloyingelementforAlalloysForrareearthalloysForcastcomponentsFordesurfurationinsteel-makingprocessFormetalreduction2%镁制品的应用镁制品的循环再生性我国虽是产镁大国，但国内用镁量不多，主要用于出口。在镁合金深加工和应用方面十分滞后，镁合金的表面处理方面也缺乏系统的技术研究和开发。我国镁消费结构消费领域铝合金金属还原稀土合金镁压铸件钢铁脱硫其他所占比例（%）431615121.112.9工业发达国家的镁约50%以上用于制造铝合金。这部分使用，是随着废铝的回收、再生一起得到循环利用的。镁的再生性强，与铝合金相近似。3.5冶金工业废渣的综合利用钢渣钢渣化学成分CaOSiO2Al2O3Fe2O3MgO少量的P2O5、FeO、MnO钢渣主要矿物组成硅酸三钙硅酸二钙钙镁橄榄石钙镁蔷薇辉石铁酸二钙RO(FeO、MgO、MnO形成的固溶体）游离石灰钢渣利用现状由于钢渣成分复杂、且各种成分含量的变化幅度较大等原因，利用率一直不高利用途径在钢铁公司内部自行循环使用，代替石灰作熔剂，返回高炉或烧结炉内作为炼铁原料公路路基、铁路路基水泥原料、改良土壤钢渣用作冶金原料作烧熔剂：钢渣中的Fe和Fe的氧化放热，节省了钙、镁、碳酸盐分解所需热量，降低了烧结矿燃料消耗。使用配入钢渣的烧结矿，由于烧结矿强度高，粒度组成改善，尽管铁品位略有降低，炼铁渣量增加，但高炉操作顺利，对其产量提高，铁焦比降低是有利的。作高炉或化铁炉熔剂：利用渣中氧化钙代替石灰石，同时利用渣中的有益成分，节省熔剂消耗，改善了高炉渣流动性，增加了炼铁产量。其缺点是钢渣成分波动大。从钢渣中回收废钢铁：开发旧有渣山，除钢渣可利用外，还可以回收大量废钢铁及部分磁性氧化物。钢渣用于建筑材料生产水泥钢渣中含有和水泥相类似的硅酸三钙、硅酸二钙及铁铝酸盐等活性矿物，具有水硬胶凝性，因此可用于生产钢渣水泥。生产高炉渣、钢渣玻璃与陶瓷其品种有无熟料钢渣矿渣水泥、少熟料钢渣矿渣水泥、钢渣氟石水泥、钢渣矿渣硅酸盐水泥、钢渣-矿渣-高温型石膏白水泥和钢渣硅酸盐水泥等以高炉渣为主要原料可制备高性能工业用玻璃陶瓷材料。炉渣玻璃比普通玻璃具有更高的抗弯、抗压强度、极高的耐磨性能，良好的耐热性能（能耐1000℃冷热温差），优良的电绝缘和稳定的化学性能。代替碎石和细骨料用于道路材料水工建筑材料、铁路道渣、停车场的基础材料回填材料、工业建筑基础垫层赤泥国外除英国，法国和日本继续采用排海法将赤泥排入深海外，多数国家采用露天存放，并在向干法堆存过渡。澳大利亚、瑞士、西班牙、南斯拉夫、匈牙利、巴西等已经实施赤泥干法存放。国内我国的氧化铝厂大都采用平地高台、河谷拦坝、凹地充填等方法堆存赤泥。由于未采用任何防渗措施，使地下水永久性碱化。生产水泥作新型墙材填充料赤泥利用比较成功的是生产建筑材料。利用烧结法赤泥生产的普通硅酸盐水泥比一般水泥厂产品相比，除抗压强度偏低外，其他性能皆等于或优于一般水泥，特别是抗折强度、早期抗压强度和抗硫酸盐侵蚀系数等方面。赤泥用作新型墙材可大量消化赤泥、节约土地，又可以改善环境赤泥综合利用采用泵送赤泥胶结充填采矿法获得成功。充填料以赤泥为主，掺部分粉煤灰及添加剂，搅拌调制而成，用混凝土泵送入采空区，胶结充填。3.6再生金属资源利用废钢利用意义目前所使用的金属材料中，钢铁所占的比例在90%以上，而钢铁中又以普通钢材的用量最大，占整个钢材生产总量的80%-90%。废钢回收再生钢铁生产流程类型参数归类（LCIA概要）短期废铁内部废铁废钢钢铁产品生命周期三阶段制造加工业使用阶段钢锭主要通过转炉、电炉和平炉实现杂质分离和无害化影响材料性能的主要原因化学成分加工工艺开发以下技术针对含有不能去除元素废钢的炼钢技术和精炼技术再生循环钢中杂质无害化技术钢材的再循环技术废钢铁再生循环过程中的分离与分选技术鞍钢2000立方米高炉外景图120吨转炉炼钢时的情景转炉的结构图高炉结构图二次铝意义节约能源节约资源减少污染铝及铝合金是产品和消耗量仅次于钢铁的金属材料铝材又是生产过程中环境负荷最大的金属材料之一制铝工业应逐步转移到以废铝再生循环利用为基础上来废铝再生利用熔炼炉冶炼铝材的杂质分离和杂质无害化障碍再生铝的性能较差铝合金种类繁多回收过程中混入其他金属材料有害杂质通常为Fe、Cu、Zn、Ni、T