第六章金属材料和冶金流程的环境协调化

1第六章金属材料和冶金流程的环境协调化2内容•6．1金属类生态环境材料•6．2钢铁冶金清洁生产的环境协调性•6．3环境协调的铝电解生产技术•6.4镁工业的环境特征•6.5冶金工业废渣的综合利用•6．6再生金属资源利用3世界钢产量4世界铝产量56.1金属类生态环境材料•从环境材料的基本观念出发，材料本身无毒无害、全寿命过程资源和能源消耗少、可再生循环、高效率使用等要求对金属材料的冶金、制备工艺和合金化等提出了不同于传统金属材料合金设计、加工制备等方面的要求，不仅要发展材料的使用性能，而且要充分考虑材料对环境的影响。6一、合金元素无害化、资源丰富和易于再生循环1．添加元素无毒无害化2.合金元素的选择3．采用资源丰富、廉价易得的元素代替昂贵稀缺的合金元素，研究开发具有高性能、低环境负荷的新钢种78二、围绕降低资源、能源消耗和降低排放进行的工艺技术结构调整“节能降耗、紧凑流程、降低排放、改善环境”是金属冶炼、加工工艺环境协调性改进的核心内容宝钢二号高炉喷煤系统9三、发展高效率使用的金属材料从90％以上所生产的钢铁结构材料强度来看，目前生产的最高强度只有理论强度的1/7~1/6，铝合金的实际强度也只达到理论强度的1/20~1/10106.2钢铁冶金清洁生产的环境协调性一、清洁生产的概念和内容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，以减少生产对人类及其环境的风险，就过程而言，它包含节约原料和能源，革除有毒原材料的使用，减少各种废物排放量和危害性，对于产品而言，则要求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。清洁生产是以最大限度提高资源的利用率和减少环境的不利影响为目的11清洁生产包括以下几方面的内容：（1）选择清洁原材料和能源；（2）选择无污染和少污染的替代产品和清洁工艺、设备；（3）强化生产技术管理和技术改造，提高物质流在生产全过程中资源、能源综合利用率；（4）减少生产排泄物，以最少量的投入获得最高的产出、最少的污染，并高效率、低费用处理和处置必排的少量污染物。12二、钢铁工业清洁生产技术与环境效益的关系1.烧结工序清洁生产技术对环境的影响2.炼铁工序清洁生产技术对环境的影响3.炼钢工序清洁生产技术对环境的影响4.轧钢工序清洁生产技术对环境的影响5.综合利用技术对环境的影响13三、实施清洁生产降低环境负荷的结果（1）对于烧结工序（2）对于高炉炼铁工序（3）对于炼钢工序（4）对于轧钢工序14四、钢铁工业清洁生产改进环境影响工艺措施1.原料准备2．炼铁系统1）继续完善和改建高炉炼铁工艺（1）增大高炉喷煤，降低焦比（2）实现高炉炉容大型化（3）需用新的烧结、焦比节能工艺和节能技术2）熔融还原炼铁3．炼钢工艺技术及连铸技术4．轧钢技术的发展156.3环境协调的铝电解生产技术2Al2O34Al+3O2大型铝电解槽在高温下运行，能加速钠对槽内衬的浸蚀和钠铝氧化物的生成，降低槽寿命。一、铝电解工艺的环境改善1．铝电解槽的大型化发展1）大型预焙槽的发展2）低温电解技术16300KA大型预焙槽年产15万吨电解铝生产线投资6000多万元兴建的300KA大型电解铝烟气干法净化回收系统172．铝电解烟气净化国际上通用的烟气净化方法是干法净化，干法吸附的原理是利用低温下氟化氢能与氧化铝发生化学吸附和物理吸附，即以电解铝生产原料氧化铝为吸附剂，在给定的条件下吸附烟气中的氟化物。1819二、环境协调的铝电解技术新材料1．惰性阴极材料研究1）可湿润阴极可湿润阴极的优点，是它与铝熔体的湿润性好，铝液可在其上形成一薄层。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，仅保持必要的热平衡需要即可。TiB2是惟一在铝液中溶解度很小、导电率高、且能为铝液湿润的材料。硼化钛阴极材料主要有两种：一是涂层阴极，包括：TiB2-碳胶涂层，TiB2等离子喷涂层，TiB2电镀层；二是TiB2复合体。202）硼化钛涂层阴极TiB2涂层的导电性能好，有涂层的阴极电阻率比无涂层的炭阴极电阻率低50%；对铝熔体的湿润性好，可有效阻挡电解质对炭块的渗透，有利于延长阴极使用寿命；可以提高电流效率，降低铝电解的能耗。3）硼化钛复合阴极TiB2阴极对铝液的湿润性良好，使氧化铝沉淀不易黏附在阴极表面，阴极电流分布均匀；另一方面有利于减少磁场造成的铝液波动，阳极电流分布更趋均匀，有效地降低了铝的再溶解损失。212．惰性阳极材料研究1）惰性阳极如果能够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排放是革命性变革。对阳极材料的要求是：导电率≥现用碳阳极；腐蚀率100mm/a，寿命≥5年；电流密度为0.8A/cm2的条件下，阳极过电压ηa0.5V；铝的质量≥现行的铝质量，不能含Be、Cr等有害环境的元素。3）金属基陶瓷2）金属氧化物陶瓷226.4镁工业的环境特征镁的比重轻，具有高的比强度和比刚度，良好的阻尼和电磁屏蔽性能，易于再生利用等一系列独特的优点。一、镁矿的资源特点镁是地壳中含量较丰富的元素，占地壳质量的21％，按量排序为第8位，在海水中含量1.1kg/m2，在溶解的矿物质中排第3位。23二、镁冶金的环境负荷1.镁冶炼的环境负荷镁的生产方法主要有熔盐电解法和硅热还原法。电解法镁厂的主要污染物是含Cl2、HCl废气、氯盐废渣、酸性废水和含铬废水。硅热法炼镁工艺中，有内热法、外热法和半连续法三种工艺。242(CaOMgO)(固)+Si(Si-Fe)(固)===2Mg(固)+2CaOSiO2(固)252．镁精炼的环境负荷我国皮江法镁厂多以SO2为保护气体3．镁冶金废弃物的综合利用镁精炼会产生废渣40～100kg/t（Mg），由含金属氯化物、氟化物组成，其中含有金属镁15％～45％利用途径有：加保护性熔剂，把含镁废料熔化，聚集金属镁；或加保护性熔剂，把残余物稀释，将金属与熔盐分离；进行机械破碎，再把废石筛出；将液态残余物进行离心分离。皮江法炼镁中产生的还原渣，可用于水泥生产中。26三、镁制品的环境效能1．镁制品的应用镁的质量轻，相对密度为1.74，比铝轻1/3，比强度高，机械性能好，广泛用于航空、汽车、造船等工业。镁在冶金中的应用，主要是炼钢脱硫、球墨铸铁和钛、铍、锆、铪、钍、铀的还原剂。镁对氧的亲和力大，作为牺牲阳极，广泛用于阴极保护。镁合金的机械性能优越，可以加工成形状复杂的机械构件。镁作为储能材料的研究，也在向实用化发展。272.镁制品的循环再生性我国镁产量已居世界首位，占世界总产量的40％以上，也是镁的出口大国。镁的再生性强，与铝合金相近似。286.5冶金工业废渣的综合利用2930一、钢渣经济效果最好的途径是将钢渣作为高炉、转炉炉料，在钢铁厂内自行循环使用。此外还可作道路材料、建筑工程材料、肥料以及填坑造地等。1．钢渣的组成炼钢过程是除去生铁中的碳、硅、磷和硫等杂质，使钢具有特定性能的过程，也是造渣材料和冶炼反应物以及熔融的炉衬材料生成融合物的过程。31钢渣的主要矿物组成为硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、钙镁橄榄石（CMS）、钙镁蔷薇辉石（C3MS2）、铁酸二钙（C2F）、RO（R代表FeO、MgO、MnO形成的固溶体）、游离石灰（f-CaO）等。322．用作冶金原料1）作烧结熔剂烧结矿中配5％～15％粒度小于8mm的钢渣代替熔剂，不仅回收利用了渣中钢粒、氧化铁（FeO）、氧化钙（CaO）、氧化镁（MgO）、氧化锰（MnO）、稀有元素（V、Nb…）等有益成分，而且成了烧结矿的增强剂，显著地提高了烧结矿的质量和产量。2）作高炉或化铁炉熔剂钢渣直接返回高炉做熔剂，其主要优点是利用渣中氧化钙（CaO）代替石灰石，同时利用了渣中有益成分，节省了熔剂消耗（石灰石、白云石、萤石），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。333）钢渣做炼钢返回渣4）从钢渣中回收废钢铁总之，钢渣在钢铁厂内部做冶金原料使用效果良好，利用价值也高，但最不利的因素是磷的富集而影响炼钢。343.用于建筑材料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1）生产水泥2）高炉渣、钢渣玻璃与陶瓷可制备高性能工业用玻璃陶瓷材料3）碎石和细骨料钢渣代替碎石和细骨料具有材料性能好、强度高、自然级配好的优点，并且对开发利用老渣山有意义。354．钢渣用于农业钢渣是一种以钙、硅为主含多种成分的具有速效又有后劲的复合矿质肥料，由于钢渣在冶炼过程中经高温煅烧，其熔解度已大大改变，所含各种主要成分易溶量达全量的1/3～1/2，有的甚至更高，容易被植物吸收。钢渣内含有微量的锌、锰、铁、铜等元素，对缺乏此微量元素的不同土壤和不同作物，也同时起不同程度的肥效作用。36二、赤泥37赤泥是铝土矿提炼氧化铝过程中产生的废弃物。赤泥的成分和性质有较大的差异，赤泥的利用方法也不相同。1．赤泥堆存的现状我国的氧化铝厂，大都采用平地高台、河谷拦坝、凹地充填等方法堆存赤泥，由于未采取任何防渗措施，使地下水永久性碱化。382．赤泥的综合利用1）利用赤泥生产水泥2）利用赤泥作新型墙材3）赤泥作塑料填料4）赤泥用作硅肥5）从赤泥中提取有价金属6）赤泥作填充料396．6再生金属资源利用一、废钢1．废钢利用的意义2．电炉炼钢的兴起电炉炼钢是以废钢为主要原料的，用原矿石少，投资低，产品质量好3．废钢的回收再生钢铁冶炼，钢铁产品制造和使用是生命周期中的三个阶段40铜