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,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,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。,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,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、N,Zn、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973863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200300元。“十五”末期初步形成2030亿的产值生产，可节省资金23亿。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,原料准备,钢铁工业清洁生产,炼钢工艺技术及连铸技术,轧钢技术的发展,炼铁系统,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,铝电解槽,铝电解烟气净化,电解槽,CO2Na5Al3F14,HF,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,环境协调的铝电解技术新材料,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,1995-2004年中国镁出口量,2%,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,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,CaO,SiO2,Al2O3,Fe2O3,MgO,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,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。,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,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,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,铝材的杂质分离和杂质无害化,障碍