第三章金属材料和冶金流程的环境.ppt

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无铅焊料无铅焊料无铬表面处理无铬表面处理钢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 在几个世纪前，人们从医学在几个世纪前，人们从医学在几个世纪前，人们从医学在几个世纪前，人们从医学和化学上认识了铅（和化学上认识了铅（和化学上认识了铅（和化学上认识了铅（PbPbPbPb）的毒性。）的毒性。）的毒性。）的毒性。限制了它的使用。现在电子封装限制了它的使用。现在电子封装限制了它的使用。现在电子封装限制了它的使用。现在电子封装业面临同样的问题：焊料合金中业面临同样的问题：焊料合金中业面临同样的问题：焊料合金中业面临同样的问题：焊料合金中的铅是否真正威胁到人们的健康的铅是否真正威胁到人们的健康的铅是否真正威胁到人们的健康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，以及环境的安全。答案不明确，以及环境的安全。答案不明确，以及环境的安全。答案不明确，但无铅焊料已经在使用。欧洲委但无铅焊料已经在使用。欧洲委但无铅焊料已经在使用。欧洲委但无铅焊料已经在使用。欧洲委员会员会员会员会初步计划在初步计划在初步计划在初步计划在2008200820082008年强制执行，年强制执行，年强制执行，年强制执行，电子封装业要为将来的变化作准电子封装业要为将来的变化作准电子封装业要为将来的变化作准电子封装业要为将来的变化作准备。备。备。备。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/3.1Bi/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 118C 118C 共熔共熔138C 138C 共熔共熔 199C 199C 共熔共熔 218C 218C 共熔共熔218221C218221C209 212C209 212C 227C227C232240C232240C233C233C221C 221C 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 226228C226228C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。对于钢铁材料而言，可将杂质元素分成四类：节能降耗 紧凑流程 降低排放 改善环境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冶金短流程化节约能源和资源强度 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500MPa碳素钢先进工业化制造技术碳素钢先进工业化制造技术鞍钢鞍钢济钢济钢宝钢宝钢首钢首钢在在在在973973973973863863863863联联联联合合合合模模模模式式式式下下下下，突突突突破破破破大大大大品品品品种种种种钢钢钢钢铁铁铁铁材材材材料料料料强强强强韧韧韧韧化化化化关关关关键键键键技技技技术术术术（合合合合金金金金成成成成分分分分设设设设计计计计和和和和组组组组织织织织细细细细化化化化），200MPa200MPa200MPa200MPa级级级级碳碳碳碳-锰锰锰锰普普普普通通通通钢钢钢钢提提提提高高高高到到到到400-500MPa400-500MPa400-500MPa400-500MPa级超级钢级超级钢级超级钢级超级钢2004200420042004年年年年生生生生产产产产超超超超级级级级钢钢钢钢30-4030-4030-4030-40万万万万吨吨吨吨，大大大大幅幅幅幅度度度度超超超超额额额额完完完完成成成成了了了了计计计计划划划划目目目目标标标标，产产产产值达值达值达值达10101010亿元，为亿元，为亿元，为亿元，为2005200520052005年百万吨超级钢奠定了良好的基础。年百万吨超级钢奠定了良好的基础。年百万吨超级钢奠定了良好的基础。年百万吨超级钢奠定了良好的基础。十一五将实现十一五将实现十一五将实现十一五将实现线线线线/板材板材板材板材1000100010001000万吨，预计直接产值万吨，预计直接产值万吨，预计直接产值万吨，预计直接产值200-300200-300200-300200-300亿。亿。亿。亿。500MPa500MPa超级钢已应用于国超级钢已应用于国家大剧院。家大剧院。“十五十五”863863的实施，使现有的实施，使现有200MPa200MPa级的碳素钢的强度提高到级的碳素钢的强度提高到400-500MPa400-500MPa，实现性能翻一番，并节省了合金元素、大幅度降实现性能翻一番，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，每吨可以降低成本成本200200300300元元 。“十五十五”末期初步形成末期初步形成20203030亿的产值生产，亿的产值生产，可节省资金可节省资金2 23 3亿。我国每年仅建筑用钢近亿吨，采用超级钢亿。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。将大大节约资金和能源。什么是清洁生产？什么是清洁生产？什么是清洁生产？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生产清洁原材料和能源清洁原材料和能源清洁原材料和能源清洁原材料和能源选择无污染和选择无污染和选择无污染和选择无污染和少污染的替代少污染的替代少污染的替代少污染的替代产品和清洁工产品和清洁工产品和清洁工产品和清洁工艺艺艺艺 设备设备设备设备提高物质流的提高物质流的提高物质流的提高物质流的资源资源资源资源能源综能源综能源综能源综合利用率合利用率合利用率合利用率减少污染减少污染减少污染减少污染提高产出提高产出提高产出提高产出钢铁工业清洁生产钢铁工业清洁生产 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=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 铝铝电解工艺的环境改善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铝电解烟气净化电解烟气净化 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钢钢导电棒导电棒铝电解烟气净化铝电解烟气净化电解槽电解槽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适的惰性阴极材近年来硼化钛已被公认为是最合适的惰性阴极材料。料。TiB2TiB2含量含量30%30%以上就足以改善对铝液的湿润性。以上就足以改善对铝液的湿润性。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。环境协调的铝电解技术新材料环境协调的铝电解技术新材料 惰性阳极惰性阳极 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(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。3.4 3.4 镁工业的环境特征镁工业的环境特征2%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。在镁我国虽是产镁大国，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。系统的技术研究和开发。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镁压压铸件铸件钢铁钢铁脱硫脱硫其他其他所占所占比比例（例（%）431615121.112.9 工业发达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、碳酸碳酸盐分解所需热量，降低了烧结矿燃料消耗。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。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：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。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、极高的耐极高的耐磨性能，良好的耐热性能（能耐磨性能，良好的耐热性能（能耐10001000冷热温差），优良的电绝冷热温差），优良的电绝缘和稳定的化学性能。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 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、西班牙西班牙、南斯拉夫南斯拉夫、匈牙利匈牙利、巴西等已巴西等已经实施赤泥干法存放。经实施赤泥干法存放。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。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 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意义节约能源节约资源减少污染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 世界上铜资源丰富，但各国对废旧铜的回世界上铜资源丰富，但各国对废旧铜的回收利用仍很重视，把废旧铜作为铜工业的第二收利用仍很重视，把废旧铜作为铜工业的第二资源来开发。资源来开发。项目项目美国美国德国德国日本日本西方西方精铜精铜产量产量244.0244.0135.2135.2127.9127.9158.2158.2废旧铜再生量废旧铜再生量32.132.137.637.68.78.7168.0168.0废旧铜直接利用量废旧铜直接利用量94.894.830.230.263.963.9320.0320.0再生铜产量再生铜产量126.9126.967.867.872.672.6488.0488.0再生铜再生铜/精铜量精铜量（%）52.152.190.190.156.856.846.146.1 我国我国19981998年废旧铜进口量达到年废旧铜进口量达到97.597.5万吨，万吨，其中大约有一般来自美国。目前我国废杂铜的其中大约有一般来自美国。目前我国废杂铜的年利用量已超过年利用量已超过7070万吨。万吨。废铜回收利用废铜回收利用的意义的意义谢谢 谢谢