第四节,,,金属材料生态化和新型材料.docx

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1、第四节,金属材料生态化和新型材料第四节 金属材料生态化和新型材料 一、钢铁材料工业生态化 （）钢铁材料工业模式转化 由传统钢铁工业模式向生态型钢铁工业模式转化，开展钢铁产品的生态设计，建立钢铁 LCA 体系，建立统一的数据库，并实现国际联网，遵循国际钢铁工业科技进步的发展趋势，由传统钢铁工业逐步过渡到省资源、低能耗、低污染的生态效益型产业结构。 （二）钢铁工业生态化详细措施 1降低吨钢能耗比 我国 1998 年吨钢能耗为 130kg 标煤，比发达国家平均高出 30以上。逐步淘汰落后工艺装备，提高废钢铁炼钢，推广高效节能电炉炼钢技术，电炉中采纳协助能源和余热回收利用技术，提高连续铸造、连续退火、

2、干脆轧钢等连续化比例。其冶金技术指标为生产速率 60007000 炉次/a；利用系数≥32t/（MVAd）或 1220t/（MVAa）；电耗 380400kwh/t；电极消耗≤2.5kg/t。2. 降低铁钢比 铁钢比是衡量钢铁工业水平重要标记之一，我国铁钢比为1.08，是发达国家 1.52 倍，说明铁矿资源过度耗费非常严峻，能耗也高，如我国铁钢比降到 0.85，则可节约约 700 万吨标准煤，吨钢能耗中一半以上用于炼铁及炼铁以前的工序。降低铁钢比可以减轻空气污染，有的学者称，短流程比矿石-炼铁流程的空气污染削减 86%，削减由于选矿、焦化、烧结和炼铁工序造成的污染。降低铁钢比可以削

3、减运输量及运输能耗，钢铁工业运输量占我国铁路运输量的 18%20%，而钢铁工业运输量中炼铁及以前部分的运量占 70%。降低铁钢比的途径为降低铸造铁运用量，以钢代铁，我国铸造生铁产量占生铁总产量的 24.8%，而主要产钢国铸铁比只有 2%7%；提高运用回收钢比例。我国炼钢炉料的回收比例长期徘徊在 20%22%之间，而在 20 世纪 80 年头末美国为 49.5 %,英国 40.9%，法国 35%，德国 33.3 %。应发展钢回收管理机制，废钢铁回收、加工、分别技术和有害元素的去除技术。3. 环境爱护 炼钢生产过程采纳技术与措施包括转炉、电炉、炉外处理渣的回收和利用；烟尘的治理和利用；转炉、电炉、

4、连铸的节水技术；钢渣用做烧结配料及钢渣水泥生产技术等。4. 节约一次资源和合理开发二次资源 发展铁矿石干脆还原技术，以精矿为原料的煤基干脆还原工艺，新铁源制造技术。提高资源综合利用率，例如，钢铁渣利用我国为 85%，而日本为 100%，含铁尘泥利用率我国为 90%，日本为100%。（三）钢材成材率、质量当量、加工利用率 表 6-12 为我国钢材成材率、质量当量、加工利用率，与日本比较，说明我国 1 吨钢综合实际效率相当日本 0 .62 吨钢，也说明 1/3 资源和能源作为无效消耗，钢坯在加热过程中氧化和钢材轧制过程中切头切尾，形成了大量的坯、材头和氧化铁皮。所以提高连铸比和提高加工成材率，达到

5、国际先进水平是提高整体生态效益的重要措施。表 表 6-12钢材成材率、质量当量、加工利用率比较 二、金属生态材料和技术 1钢铁生产新流程21 世纪的钢铁生产应是低污染、低资源消耗、低能源消耗的生态效益型生产模式。20 世纪 70 年头以来发展了连铸，80 年头末 90 年头初又发展了近终形连铸技术，连铸坯的尺寸接近最终钢材断面尺寸，省去开坯、初轧，甚至可以免去整个热轧工序。连铸可限制冷却，凝固速度提高，可得到细小晶粒组织，削减或消退中心偏析，获得良好的钢材性能，实现了热装热送，干脆轧制简化了钢后系统。熔融还原技术（Direct Iron Ore Smelting Reduction，DIOS）

6、不用焦炭，免除了焦炭带来的污染问题，也简化了铁前生产流程，同时削减了污染和节约了能源。如图 6-6 电炉或煤气熔化炉-近终形连铸和图 6-7 熔融还原-转炉-近终形连铸的钢铁流程的特点是无焦炭、无造块、不轧制，全部实现热态连续性生产。采纳熔融还原和近终形连铸技术，生产过程紧凑，所以是低污染、低资源消耗、低能源消耗的生产模式。2. 金属生态型产品的开发 低污染、低资源消耗、低能源消耗的金属生态型产品的开发可分为两种类型，即流通性产品(Flow Product)和贮存型产品（Stock Product）。流通性产品生命周期短，例如，易拉罐，要求在整个生命周期投入尽可能少的资源和能源，首先应选择在制

7、造阶段低资源消耗、低能源消耗的材料，并且是易于循环再生的。贮存型产品生命周期长，例如建筑和桥梁结构材料，建筑材料寿命一般在 30 年，而桥梁结构材料寿命长达 100 年，在降低制造阶段低资源消耗、低能源消耗的同时，更重要的是通过高功能化、长寿命化、提高牢靠性和可修理性以达到低污染、低资源消耗、低能源消耗。汽车用金属材料运用阶段能耗占整个生命周期能耗的80以上，所以材料要求轻质化、长寿命、具有平安性来达到低污染、低资源消耗、低能源消耗。两类产品可通过提高整体生态效益。表 6-13 为金属产品提高附加值节约能源、资源方案。表 表 6-13金属产品提高附加值节约能源、资源方案 应用领域 产品 节约能

8、源、资源方案 汽车 汽车钢板 采纳高张力钢→轻量化→节约燃料费和钢材 增大表面处理钢板运用比例→长寿命化→节约钢材 船舶 船用超高张力厚板 采纳高张力钢→轻量化→节约燃料费和钢材 铁路 电气化车用不锈钢板 采纳不锈钢板→轻量化→节约电力和钢材 建筑，土木工程 高层建筑用钢筋 桥梁用高张力线材 压延 H 型钢 采纳高张力钢→节约钢材 吊索轻量化→桥柱钢材轻量化 采纳压延 H 型钢→节约焊接能源 能源部门 输送管线用钢管 变压器用电磁钢板 采纳高张力钢→节约钢材 采纳高功能电磁钢

9、板→削减配送电损失 项目 国别 成材率 质量当量 加工利用率/% 中国 83.0 0.82 65.0 日本 93.5 0.96 81.0发电锅炉用钢管 提高高温耐腐蚀型→可供应高温高压蒸汽→提高发电效率 容器 饮料用层压易拉罐 减薄化→节约钢材 层压化→节约洗罐用能源 其他 干脆淬火钢 干脆淬火→节约二次加工热处理能源3形态记忆合金（SMA）SMA 具有特别性能，在加热到特定的诱发温度时，形态就会发生猛烈改变。SMA 运用在智能材料主动拆卸（ADSM）技术上。电动产品、电子产品淘汰速度日益加快，数量越来越大，据欧盟统计，约占城市垃圾

10、4，并且增加速度是其他垃圾的 3 倍左右，产品体积小。结构困难而紧密，内部结合了很多珍贵金属、稀有金属和有毒材料，不相宜填埋和焚烧处理。回收利用的瓶颈是拆卸，采纳手工拆卸既昂贵又困难，所以采纳 SMA 的螺丝、夹具、线圈、连杆和磁盘的设备，加热后可以自动解体，并分别回收利用。 SMA 材料主要分两类，即以铜、锌和铝合金为基础的 SMA 和以镍钛合金为基础的 SMA。SMA 在复原到初始形态时能产生很强的力，有助于将元件分开。所以 SMA 在产品可拆卸、可回收利用中发挥重要的作用，是环境修复材料。 4能源用金属材料 汽轮机须要在 7001100的高温下工作，要求材料具有耐高温强度，特殊是抗蠕变强

11、度。目前达到好用化的材料主要是所谓超耐热合金。包括高铬基析出强化型耐热合金钢、铁镍基析出强化型耐热合金钢、镍基析出强化型耐热合金钢、镍基定向凝固合金和钴基耐热合金。 化学能转换材料中有储氢金属，要求金属和合金储氢量大，氢化和脱氢反应接近常温常压，反应速度快。一般采纳镧镍（1：5）合金、镁镍（2：1）合金、钛铁合金等。碳氢化合物和氢气等液化储存容器用材料，要求低温强度高，特殊是要有很高的断裂韧性。在金属材料中，具有面心立方结构的铝和铜和有六方的钛等材料，其原子间的相对移动比较简单，所以具有较大的断裂韧性，是很好 的燃料储存容器材料。另外，奥氏体不锈钢中添加镍，也可以大大提凹凸温断裂韧性。4. 铝

12、合金铝合金具有高强度、耐腐蚀、热稳定性好、易成型等优点。在交通运输行业运用过程能耗低，而且由于易拆卸设计和回收技术的提高，而成为环境负载值低的材料。从国外汽车用铝量看 20 世纪 80 年头每辆汽车平均用铝 55kg，90 年头达到 130kg，预料 2000 年为 270 kg。美国华盛顿高校汽车探讨所生产的兜风IV赛车，其总质量为 592 kg，其中铝制品占 228 kg，燃料消耗约为 0 .03L/km，仅相当于摩托车的燃料消耗。由于快速冷凝铝粉末冶金法的出现，使耐热强度、耐磨损和耐应力腐蚀裂纹性优秀的铝合金的生产成为可能，从而扩大了应用范围。5. 镁合金镁的密度约为铝的 2/3，铁和锌的 1/4，比强度、机械加工性、振动汲取性等性能优秀，特殊是资源丰富，易循环再生，认为是 21 世纪的生态金属材料。镁合金是轻质结构材料，目前已被笔记本电脑机壳采纳，可望运用在各种工业领域，特殊是用作汽车结构材料。目前材料加工采纳铸造和压铸，材料利用率为 50%，能源消耗和环境负载均高，采纳六氟化硫气体防止氧化，而六氟化硫温室效应潜值是二氧化碳的 24900 倍，使加工成型过程环境负载占总环境负载的 1040。采纳粉末冶金加工，材料利用率可提高到 95，不用六氟化硫，能源消耗和环境负载均可大幅度降低。汽车运用阶段，环境负载值与汽车减重成比例。