环境材料2

第五章金属材料和冶金流程的环境协调化第一节金属类生态环境材料1、添加无毒无害化元素从环境材料观点出发，金属合金化添加元素的选择首先要保证无毒无害,“无毒害物质”是环境材料在废弃阶段和日常生活大量消耗该类材料的关键词。国际环境保护机构已列出17种对人体和环境有毒害的元素,包括铅、汞、镉、铬等。目前该类材料研究的典型示例有无铅焊料、无铅机械加工合金、无铬表面处理钢等。一、合金元素无害化、资源丰富和易于再生循环(1)无铅焊料：Sn-Pb是用量最大的钎料,仅Sn-Pb共晶焊料,2000年全世界的产量已达5万t。主要应用于电子、汽车、航空、灯具等行业。含Pb37%（质量分数）的Sn-Pb合金是传统的钎焊合金,具有良好的金属湿润性、低熔点和可靠的焊接质量,广泛用于电子集成电路、印刷电路板装配元件的技术上。Sn-Pb合金在焊料制备、焊接、产品使用过程和废弃之后均产生铅渣、铅蒸气而污染环境。填埋处理废弃的Sn-Pb合金，其中铅元素可溶于水并通过生物链进入人体。从环境保护的角度出发,要寻找替代Sn-Pb共晶合金的新型无铅钎焊合金，目前已取得的进展大多以Sn-Ag系合金和Sn-Zn系合金。为了调整合金的熔化温度,加入了少量的Bi或In。索尼公司开发无铅焊料：解决了一个问题，却产生了另一个问题1999年，索尼公司宣布发明了一种新型焊料，其成分是93.4%的锡，2%的银，4%的铋，0.5%的铜和0.1%的锗。这种材料能够很好的实现焊接功能，并且可以在现有的焊接设备上使用。（2）无铅机械加工钢在齿轮和机械零件中，Pb作为易切削合金中的润滑剂便于精密切割，从环境协调性出发，用S-Ca-六方氮化硼替代钢中的Pb。（3）无铬表面处理钢：用无铬电镀钢板替代传统镀铬钢材，以防止六价铬对人体和环境的危害。2、合金元素再生循环性的选择合金元素的选择应充分考虑到金属材料在再生循环时残留元素的控制。“可循环性”是选择合金元素要考虑的关键之一。对于钢铁材料,可将杂质元素分成四类:1)几乎全部残留于钢水中的元素,有Cu、Ni、Co、Mo、W、Sn、As。2)不能完全除去的元素,有Cr、Mn、P、S、C、H、N。3)与沸点和蒸气压等无关的元素,有Zn、Cd、Pb、Sb。4)从钢中几乎能全部除去的元素,有Si、Al、V、Ti、Zr、B、Mg、Ca、Nb、RE等。废合金钢经过多次再生循环后,Cu、Ni、Mo、Sn、Sb等残留元素的含量会发生富集增高,接近极限,影响材料的性能。双相钢是钢铁材料环境协调发展的方向之一。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采取提高碳含量（比平均碳的质量分数高0.1%）来产生二次硬化效应可降低高速钢合金含量(1%，质量分数)，节约W和Mo资源,同时还减少了环境污染,因为冶炼过程中含碳量高可减少CO2的排放量。钢中加入Si(1.0%～2.0%)(质量分数),可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,还降低了材料的韧—脆（冷脆）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。二、围绕降低资源、能源消耗和降低排放进行工艺技术的结构调整“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。例如钢铁工业中炼铁原料采取精炼方针,采用干熄焦和小球烧结等技术；炼铁大力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)的炼钢技术；轧钢采用热衔接,特别是一火成材的紧凑流程等；非铁金属都是尽量使用原材料的加工过程消耗较低的资源和能源,排放较少的三废,并且在废弃之后易于分解、回收与再生。由于金属材料的冶炼生产和加工过程造成的环境影响极大,工艺流程的技术改造对于降低金属材料的环境负荷具有极其重要的意义。冶金短流程是目前发展的一个重要方向,其核心在于不断提高钢厂生产流程的紧凑化和连续化,以实现金属收得率最大化,生产过程能量输入和资源输入最小化,过程的废弃排放物减少的目的。目前90%以上钢铁结构材料最高强度只有理论强度的1/6～1/7,铝合金的实际强度只达到理论强度的1/10～1/20。而各个行业对金属结构材料提出了越来越高的使用效率要求。如汽车用钢,（车重降100Kg,可达到每公里省油0.7L的效果）、高层建筑、大跨度重载桥梁等都希望结构用钢具有高的强度,以减少材料的使用量,达到节约能源和资源的目的。新一代钢铁材料的发展目标是强度、韧性同时提高一倍,并保持使用寿命延长一倍,其技术途径是通过“高洁净、均匀化、超细晶”来实现,通过微观结构控制技术的发展来生产“超细颗粒的结构钢”,从而大大改善其机械强度和各种功能,探索纯铁可达到的最优的潜在性能。三、发展高效率使用的金属材料一、钢铁工业清洁生产改进环境影响工艺措施1、改进环境影响的工艺措施1）原料准备原料堆放和输送2）炼铁系统(1)继续完善和改进高炉炼铁工艺a增大高炉喷煤,降低铁焦比：降低生铁成本和减少焦炭用量,国外高炉煤比最高达到了300kg/t-Fe。目前我国重点钢铁企业高炉吨铁喷煤约l00kg/t-Fe,部分高炉可望达到200kg/t-Fe。b实现高炉炉容大型化：高炉座数减少,单炉产量增加,生产效率提高,焦比降低,走大生产集约型的道路。c采用新的烧结、焦比节能工艺和节能技术：(2)熔融还原炼铁第二节钢铁冶金清洁生产的环境协调性3）炼钢工艺技术及连铸技术积极发展以废钢铁为原料的电炉短流程工艺。全废钢电炉短流程其吨钢单位综合能耗大约是高炉/转炉流程的1/3～1/2。还可减少废弃物排放。转炉炼钢采用预熔渣作为含铁复合熔剂,强化造渣过程,减少环境污染。近终形连铸技术，厚20～9Omm薄板坯及1.5～5mm薄带连铸技术的开发。4）轧钢技术的发展低温轧制技术；热轧代替冷轧,减少能耗、废水、废酸液的处理及排放问题；轧制过程中控轧控冷技术、余热淬火技术既节能,又可以减少热处理,减少污染源。采用连铸坯热送技术,连铸坯热装温度为500～600℃,吨钢可降低成本70元,若全国1/3连铸坯实现热送热轧,可降低成本10亿元；半凝固加工技术。2.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3、清洁生产对环境负荷的影响表5－1烧结工序清洁生产技术与环境效益（按300万吨钢规模)清洁生产技术途径指标直接环境效益间接环境效益国外先进国内先进国内-般烧结矿整粒和铺底料全部采用普遍采用未采用降低机头、机尾烟气含尘浓度,外排浓度降低60%,减少烟、粉尘外排量1291t高炉使用整粒烧结矿,焦比降低7Kg,年节焦1.55万吨,折标煤1.51万吨,减少炼焦生产过程污染厚料层操作(料层厚度)＞500mm500mm390mm降低抽风系统含尘量节约固体燃料6～9kg/t,年节约燃料2.1～3.1万吨,折标煤1.5～2.23万吨,工序能耗降低4.3～6.4kg标煤,FeO的含量降低1.8%～3.0%,焦比降低10kg,节焦2.3万吨,减少烧焦生产过程污染烧结矿显热回收10kg标准煤6.65kg标准煤回收烧结矿显热折标煤2.1万吨配用转炉钢渣普遍采用很多采用一般未采用每年消化转炉钢渣10万吨烧结混合料配用2%～4%转炉钢渣,节约固体燃料2kg/t，年节约固体燃料0.7万吨,工序能耗降低1.4标准煤烧结机头电除尘（除尘效率）除尘效率由97%提高99%以上，机头排尘浓度小于150mg/Nm3，年排尘减少700t低温烧结工艺普遍采用工业试样未采用降低固体燃料消耗3～7kg/t，工序能耗降低2.9～6.8kg，FeO含量降低2%，高炉焦比降低10kg左右小球烧结工艺很多采用未采用未采用每吨铁渣减少18kg高炉使用小球烧结矿，焦比降低10kg左右氨－硫酸铵烧结烟气脱硫日本采用未采用未采用减少烧结工序SO2排放量99%以上表5-2炼铁工序清洁生产技术对环境的影响（按300万吨钢规模）清洁生产技术途径指标直接环境效益间接环境效益国外先进国内先进国内一般高炉富养喷煤技术200～400kg/t铁150kg/t铁37kg/t铁入炉焦比降低66.4kg，节约焦炭14.7万吨/年，工序能耗降低5.21kgce/t铁高炉炉顶余热发电47kWh/t铁37kWh/t铁0年发电量3.2×107kWh,折标煤1.38万吨，工序能耗降低7.73kgce/t铁减少高炉煤气放散100%100%26%每年多回收煤气2.8×106GJ,折标煤9.6万吨废水零排放工艺00350万吨/年每年少排废水350万吨，少排S0292t,COD1179t、酚0.4t、油类16.8t、硫化物8.9t每年节约新水400万吨，折标煤572t热风炉余热利用，提高风温1300～1400℃1200℃948℃入炉焦比降低20.85kg，节约焦炭4.6万吨/年，工序能耗降低20.25kgce/t铁提高烧结矿品位熟料比76%100%57%100%50.5%93.6%高炉渣量减少19.7kg/t铁，每年少排渣4.37万吨入炉焦比降低7.1kg，节约焦炭1.54万吨/年，工序能耗降低6.9kgce/t铁炉顶高压操作＞300kPa250kPa57kPa入炉焦比降低8.16kg，节约焦炭1.8万吨/年，工序能耗降低7.92kgce/t铁高炉渣显热回收1.2～1.5GJ/t渣0每年回收高炉渣显热折标煤3.8万吨表5-3炼钢工序清洁生产技术对环境的影响（按300万吨钢规模）清洁生产技术途径指标直接环境效益间接环境效益国外先进国内先进国内一般提高连铸比，实现全连铸100%100%60.65%消除了铸锭、脱锭、整模、均热、开坯等中间生产工序产生的污染。减少初轧含油废水219～876万吨；减少均热炉烟气外排量5.2亿标准立方米，SO2696t吨钢节能47kgce，连铸比推广提高节能10.3万吨标煤，成才率提高10%，节约焦炉煤气3430TJ，少炼焦47.4万吨，减少炼焦生产过程污染提高废钢比53%33.3%23.8%(平均)减少铁系统污染物批发量：烟粉尘2085t，废水355万吨，SO2891t节能20.5万吨标煤转炉煤气回收（吨钢回收煤气热能）34.89kgce29kgce25kgce（燃烧法）未燃法回收煤气含尘浓度＜100mg/Nm3，减少外排烟尘1913t未燃法回收煤气吨钢多回收热能2kgce，每年多回收热能0.38tceK-OBM转炉复吹（复吹比）100%60%减少钢渣产生量4万吨钢水收得率提高3.6%，多产钢4.1万吨，少排放烟尘317t，废水50.4万吨，SO2135t，节能3.28万吨标煤推广炼钢用活性石灰（活性度）350mL减少钢渣产生量4.47万吨钢水收得率提高0.5%，多产钢1.5万吨，少排放烟尘116t，废水19.75万吨，SO250t，节能31.92万吨标煤转炉渣显热回收（吨渣回收热量）15kgce00吨渣回收蒸汽折标煤10～15kg超高功率电炉＞1000kV/t700kV/t减少固体废弃物产生量7520t节能6.35万吨标煤，节约耐火材料7520t，节约电极3300t电炉烟气预热废钢（吨钢节电）40～50kWh20～40kWh0吨钢节电20～40kWh表5-4轧钢工序清洁生产技术对环境的影响（按300万吨钢规模）清洁生产技术途径清洁生产技术途径内容直接环境效益间接环境效益淘汰三火成才复二重式、横列式线材轧机采用盘条和直条高速线材轧机，替代复二重式、横列式线材轧机改为一火成才，工序能耗降低，少烧重油4700t减少燃油烟气0.15亿标准立方米SO294t,Nox40t工序能耗降低1.3万吨标煤（包括重油），成才率提高12.55%，节能2.75万吨标煤。减少污染物排放；烟粉尘270t，废水46.1万吨，SO2116t,淘汰中型横列式轧机新建连铸连轧中型改为一火成才，工序能耗降低，节能1.57万吨标准煤，减少均热炉外排废气1.28亿标准立方米，SO2168t加热炉煤气耗量降低，少产焦炭6万吨，成才率提高2%，节能0.92万吨标