第三章金属材料和冶金流程的环境

1、冶金流程的环境协调化 金属材料与 3.13.1金属类生态环境材料金属类生态环境材料3.23.2钢铁清洁生产的环境协调性钢铁清洁生产的环境协调性3.33.3环境协调的铝电解生产技术环境协调的铝电解生产技术3.43.4镁工业的环境特征镁工业的环境特征3.53.5冶金工业废渣的综合利用冶金工业废渣的综合利用3.63.6再生金属资源利用再生金属资源利用第三章第三章 金属材料和冶金流程金属材料和冶金流程 的环境协调化的环境协调化环境问题环境问题3.1金属类生态环境材料金属类生态环境材料发展趋势发展趋势合金元素无害化合金元素无害化、资源丰富和易于再生、资源丰富和易于再生工艺技术的结构调整工艺技术的结构调整

2、发展高效率使用的金属材料发展高效率使用的金属材料无铅焊料无铅焊料无铬表面处理钢无铬表面处理钢添加元素无毒无害化添加元素无毒无害化无铅机械加工钢无铅机械加工钢合金元素无毒化合金元素无毒化、 资源丰资源丰富富、易于再生循环易于再生循环无铅焊锡化学成份无铅焊锡化学成份 48Sn/52In 48Sn/52In 42Sn/58Bi42Sn/58Bi91Sn/9Zn 91Sn/9Zn 93.5Sn/3Sb/2Bi/1.5Cu 93.5Sn/3Sb/2Bi/1.5Cu 95.5Sn/3.5Ag/1Zn 95.5Sn/3.5Ag/1Zn 93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu93.3Sn/3.1Ag

3、/3.1Bi/0.5Cu 99.3Sn/0.7Cu99.3Sn/0.7Cu95Sn/5Sb 95Sn/5Sb 65Sn/25Ag/10Sb65Sn/25Ag/10Sb96.5Sn/3.5Ag96.5Sn/3.5Ag熔点范围熔点范围 118118C C 共熔共熔138138C C 共熔共熔 199199C C 共熔共熔 218218C C 共熔共熔218221218221C C209209 212 212C C 227227C C232240232240C C233233C C221221C C 共熔共熔说说 明明 低熔点、昂贵、强度低低熔点、昂贵、强度低 已制定、已制定、BiBi的可利用关注的

4、可利用关注 渣多、潜在腐蚀性渣多、潜在腐蚀性 高强度、很好的温度疲劳特性高强度、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、好的温度疲劳特性高强度、好的温度疲劳特性高强度、高熔点高强度、高熔点好的剪切强度和温度疲劳特性好的剪切强度和温度疲劳特性摩托罗拉专利、高强度摩托罗拉专利、高强度高强度、高熔点高强度、高熔点97Sn/2Cu/0.8Sb/0.2Ag 97Sn/2Cu/0.8Sb/0.2Ag 226228226228C C高熔点高熔点 不仅焊料需要无铅，其他不仅焊料需要无铅，其他任何合金，只要废弃时不经重任何合金，只要废弃时不经重新熔炼就不允许铅的迁移。无新熔炼

5、就不允许铅的迁移。无铅机械加工钢是指钢中的铅用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。其他元素或机理替代的钢材。 最有希望的替代物是最有希望的替代物是S-Ca-S-Ca-六方氮化硼。六方氮化硼。 尽管电镀钢板面的铬酸盐尽管电镀钢板面的铬酸盐层有耐锈蚀的优良特点，但在层有耐锈蚀的优良特点，但在粉碎或煅烧过程中，一小部分粉碎或煅烧过程中，一小部分氧化铬有变成六价铬的危险。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板，它具有与传统铬钢材相似的性能。的性能。合金元素再生循环性的选择合金元素再生循环性的选择 对于钢铁材料而言，可将

6、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 Cu 、Ni Ni 、Co Co 、Mo Mo 、W W 、SnSn 、AsAs不能完全除去的元素Cr Cr 、MnMn、P P、S S 、C C、H H、N NZnZn、CdCd、PbPb、SbSb从钢中几乎能全部除去的元素Si Si 、AlAl、V V、TiTi、ZrZr、B B、Mg Mg 、Ca Ca 、Nb Nb 、RERE等等 采用资源丰富采用资源丰富、廉价易得的元素代替昂贵稀缺合金、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。元素，研究开发具有高性能、低环境负荷的新钢种。 钢中加

7、入钢中加入SiSi后（后（10.%-2.0%)(10.%-2.0%)(质量分数），可以提高质量分数），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，还降低对材料的韧向移动，抗氧化强度提高，还降低对材料的韧- -脆转变温度脆转变温度，可代替部分贵重金属，可代替部分贵重金属W W和和MoMo等资源，对环境协调发展具有等资源，对环境协调发展具有重要作用。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

8、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发展高效率使用的金属材料鞍钢鞍钢济钢济钢宝钢宝钢首钢首钢 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钢铁生产的环境协调性Iron and Steel Making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

9、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製程能源消耗廢棄物處理廢水處理處理防護原料准备原料准备钢铁工业清洁生产钢铁工业清洁生产炼钢工艺技术及炼钢工艺技术及连铸技术连铸技术轧钢技术的发展轧钢技术的发展炼铁系统炼铁系统 3.3环境协调的铝电解生产技术环境协调的铝电解生产技术（铝电解反应式）（铝电解反应式） 绿色化学反应绿色化学反应 思索思索 新的选择新的选择2Al2Al2 20 03=3=

10、4Al+304Al+302 2 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 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大型预焙槽发展低温电解技术低温电解技术铝电解烟气净化铝电解烟气净化 电解质电解质烟罩烟罩阳极阳极C熔融熔融态铝态铝钢壳钢壳耐火耐火材料材料阴极阴极C钢导电棒钢导电棒铝电解槽铝电解槽电解槽电解槽COCO2 2 NaNa5 5AlAl3 3F F1414HFHF布袋集尘器布袋集尘器排出排出依附后的载氟依附后的载氟氧化铝氧化铝布袋集尘器布袋集尘器烟气吸附剂烟气吸附剂惰性阴极材料惰性阴极材料硼化钛涂层阴极：硼化钛涂层阴极： 近年来硼化钛已被公认为是最合

11、适的惰性阴极近年来硼化钛已被公认为是最合适的惰性阴极材料。材料。TiB2TiB2含量含量30%30%以上就足以改善对铝液的湿润以上就足以改善对铝液的湿润性。性。可润湿阴极：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，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，节约用，铝液面保持平整，因此极距可以大为降低，节约大量大量电电能。能。惰性阳极材料惰性阳极材料 惰性

12、阳极惰性阳极 主要困难是主要困难是没有合适的电极材料没有合适的电极材料。这种电极材料要求能经受。这种电极材料要求能经受10001000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。电导率和抗热震性。金属氧化物陶瓷金属氧化物陶瓷 如果能开发出惰性阳极电解槽，阳极产物将是如果能开发出惰性阳极电解槽，阳极产物将是氧气氧气，这对现，这对现行电解工艺中放出行电解工艺中放出COCO2 2来说，消除来说，消除COCO2 2排放是革命性的改革。排放是革命性的改革。 它兼有陶瓷和金属的优点。但它兼有陶瓷和金属的优点。但金属陶瓷制备困难金

13、属陶瓷制备困难，在加工中，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。效方法。 关键在于关键在于使金属基体表面生成保护层使金属基体表面生成保护层，使金属阳极在电解环，使金属阳极在电解环境中保持相对稳定。境中保持相对稳定。金属氧化物陶瓷金属氧化物陶瓷 以以陶瓷为基体掺杂金属陶瓷为基体掺杂金属组成，是陶瓷相和金属相的混合物，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。兼有陶瓷的抗腐蚀性和金属的优良导电性，抗热震性好。 目前的研究以目前的研究以TiBTiB2 2/Cu/Cu粉粉(

14、A%)+Fe(A%)+Fe粉粉(B%)/NiO2-NiFe2O4(B%)/NiO2-NiFe2O4型双型双极性电极效果最佳。极性电极效果最佳。镁资源丰富镁资源丰富占地壳质量占地壳质量21%地壳中按量排序第八地壳中按量排序第八在溶解的矿物质在溶解的矿物质中排第三位中排第三位白云石遍布全国白云石遍布全国3.4 3.4 镁工业的环境特征镁工业的环境特征镁矿的特点镁矿的特点镁冶金的环境负荷镁冶金的环境负荷镁冶金的镁冶金的环境负荷环境负荷镁冶炼的环境负荷镁冶炼的环境负荷镁冶金废弃物镁冶金废弃物的综合利用的综合利用镁精炼的环境负荷镁精炼的环境负荷熔盐电解法熔盐电解法改改“三废三废”排放型向综合型发展排放型

15、向综合型发展制备优良电解原料制备优良电解原料采用无隔板电解槽采用无隔板电解槽内热法内热法含含Cl2、 HCl、氯盐废渣氯盐废渣、酸性废水酸性废水、含铬废水含铬废水硅热还原法硅热还原法外热法外热法半连续法半连续法保护性气氛保护性气氛SO2采用采用 SF6、 CO2混合气体代替混合气体代替SO2镁制品的环境效能镁制品的环境效能1995-2004年中国镁出口量年中国镁出口量49%49%14%14%17%17%18%18%Alloying element for Al alloysFor rare earth alloysFor cast componentsFor desurfuration in

16、steel-making processFor metal reduction2%镁制品的应用镁制品的应用镁制品的循环再生性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。乏系统的技术研究和开发。我国镁消费结构我国镁消费结构消费领消费领域域铝合金铝合金金属金属还原还原稀土稀土合金合金镁压镁压铸件铸件钢铁钢铁脱硫脱硫其他其他所占比所占比例（例（%）431615121.112.9 工业发达

17、国家的镁约工业发达国家的镁约50%50%以上用于制造铝合金。这部分使用，以上用于制造铝合金。这部分使用，是随着废铝的回收是随着废铝的回收、 再生一起得到循环利用的。镁的再生性强，再生一起得到循环利用的。镁的再生性强，与铝合金相近似。与铝合金相近似。3.5冶金工业废渣的综合利用冶金工业废渣的综合利用钢渣钢渣钢渣化学成分钢渣化学成分CaOSiO2Al2O3Fe2O3MgO少量的少量的P2O5、 FeO、 MnO钢渣主要矿物组成钢渣主要矿物组成硅酸三钙硅酸三钙硅酸二钙硅酸二钙钙镁橄榄石钙镁橄榄石钙镁蔷薇辉石钙镁蔷薇辉石铁酸二钙铁酸二钙RO(FeO、 MgO、 MnO形成的固溶体）形成的固溶体）游离石

18、灰游离石灰钢渣利用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、改良土壤改良土壤钢渣用作冶金原料钢渣用作冶金原料作烧熔剂：作烧熔剂： 钢渣中的钢渣中的 FeFe和和FeFe的氧化放热，节省了钙的氧化放热，节省了钙、 镁镁、 碳碳酸盐分解所需热量，降低了烧结矿燃料消耗。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，度组成改善，

19、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，铁焦比降低是有利但高炉操作顺利，对其产量提高，铁焦比降低是有利的。的。作高炉或化铁炉熔剂：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。产量。其缺点是钢渣成分波动大。从钢渣中回收废钢铁：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。钢铁及部分磁性氧化物

20、。钢渣用于建筑材料钢渣用于建筑材料生产水泥生产水泥 钢渣中含有和水泥相类似的硅酸三钙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。等活性矿物，具有水硬胶凝性，因此可用于生产钢渣水泥。生产高炉渣生产高炉渣、钢渣玻璃与陶瓷、钢渣玻璃与陶瓷 其品种有无熟料钢渣矿渣水泥其品种有无熟料钢渣矿渣水泥、 少熟料钢渣矿渣水泥少熟料钢渣矿渣水泥、钢渣钢渣氟石水泥氟石水泥、钢渣矿渣硅酸盐水泥、钢渣钢渣矿渣硅酸盐水泥、钢渣- -矿渣矿渣- -高温型石膏白水泥高温型石膏白水泥和钢渣硅酸盐水泥等和钢渣硅酸盐水泥等 以高炉渣为主要原料可制备高性

21、能工业用玻璃陶瓷材料。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炉渣玻璃比普通玻璃具有更高的抗弯、 抗压强度抗压强度、极高的极高的耐磨性能，良好的耐热性能（能耐耐磨性能，良好的耐热性能（能耐10001000冷热温差），优良的电冷热温差），优良的电绝缘和稳定的化学性能。绝缘和稳定的化学性能。代替碎石和细骨料代替碎石和细骨料 用于道路材料用于道路材料 水工建筑材料水工建筑材料、 铁路道渣铁路道渣、 停车场的基础材料停车场的基础材料 回填材料、工业建筑基础垫层回填材料、工业建筑基础垫层赤泥赤泥国外国外 除英国，法国和日本继续除英国，法国和日本继续采用排海法将

22、赤泥排入深海外，采用排海法将赤泥排入深海外，多数国家采用露天存放，并在多数国家采用露天存放，并在向干法堆存过渡。向干法堆存过渡。 澳大利亚澳大利亚、 瑞士瑞士、 西班西班牙牙、 南斯拉夫南斯拉夫、 匈牙利匈牙利、 巴巴西等已经实施赤泥干法存放。西等已经实施赤泥干法存放。国内国内 我国的氧化铝厂大都我国的氧化铝厂大都采用平地高台采用平地高台、 河谷拦河谷拦坝坝、凹地充填等方法堆存凹地充填等方法堆存赤泥。由于未采用任何防赤泥。由于未采用任何防渗措施，使地下水永久性渗措施，使地下水永久性碱化。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。赤泥利用比较成功的是生产建筑材料。 利用烧

23、结法赤泥生产的普通硅酸盐水泥比一般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，特别是抗折强度皆等于或优于一般水泥，特别是抗折强度、 早早期抗压强度和抗硫酸盐侵蚀系数等方面。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赤泥用作新型墙材可大量消化赤泥、 节约土节约土地，又可以改善环境地，又可以改善环境赤泥综合利用赤泥综合利用 采用泵送赤泥胶结充填采矿法获得成功。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，充填料以赤泥为主，掺部分粉煤灰及添加

24、剂，搅拌调制而成，用混凝土泵送入采空区，胶结搅拌调制而成，用混凝土泵送入采空区，胶结充填。充填。3.6再生金属资源利用再生金属资源利用废钢利用废钢利用意义意义 目前所使用的金属材料中，钢铁所占的比例在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，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占整个钢材生产总量的80%-90%。废钢回收再生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钢铁产品生命周期三阶段期三阶段制造加工业使用阶段 钢锭主要通过转炉钢锭主要通过转炉、 电炉和平炉实现电炉和平炉实现杂质分离和

25、无害化杂质分离和无害化影响材料性能影响材料性能的主要原因的主要原因化学成分化学成分加工工艺加工工艺开发以开发以下技术下技术针对含有不能去除元素废针对含有不能去除元素废钢的炼钢技术和精炼技术钢的炼钢技术和精炼技术再生循环钢中杂再生循环钢中杂质无害化技术质无害化技术钢材的再循环技术钢材的再循环技术废钢铁再生循环过程废钢铁再生循环过程中的分离与分选技术中的分离与分选技术二次铝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

26、到以废铝再生循环利用为基础上来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分选预处理熔炼炉冶炼熔体净化技术铝材的杂质分离和杂质无害化铝材的杂质分离和杂质无害化障碍障碍再生铝的性能较差再生铝的性能较差铝合金种类繁多铝合金种类繁多回收过程中混入回收过程中混入其他金属材料其他金属材料有害杂质通常为有害杂质通常为Fe、 Cu、 Zn、 Ni、 Ti等等我国二次铝工业的现状我国二次铝工业的现状 1988 1988年我国成立再生金属协会年我国成立再生金属协会、 多次召开再生有色多次召开再生有色金属会议金属会议 1991 1991年制定出废铝分类标准年制定出废铝分类标准 目前我国最大的再生铝厂是上海新铬有色金属公司，目前我国最大的再生铝厂是上海新铬有色金属公司，年产量达年产量达13.213.2万吨。第二大再生铝厂是浙江力士达铝业公万吨。第二大再生铝厂是浙江力士达铝业公司，年产量为司，年产量为5 5万吨。万吨。再生