2010第五章

第五章、金属材料和冶金流程的环境协调化环境负荷特征资源有限，不可更新。生产过程资源、能源消耗高。钢铁工业每生产一吨钢需消耗6～7吨原料和燃料，其中80%以上，即5～6吨以各种废物形式排入环境。生产过程“三废”排放量大。有毒有害物排放。第一节金属类生态环境材料一、合金元素无害化、资源丰富和易于再生循环1.添加元素无毒无害化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。世界每年约5万吨铅通过电子废弃物进入人类生活环境，赋存于废弃产品中的铅通过雨水、尤其是酸雨形成可溶性铅化合物而进入地下水中，导致水源污染，逐步破坏生态平衡、威胁人类安全。（1）无铅焊料（2）无铅机械加工钢（3）其他的无铅材料（4）无铬表面处理钢2．合金元素的选择改善再生性的新方法是不用辅助元素来控制合金的性能，而是通过改善材料的组织结构来控制。马氏体和铁素体的二相合金在不需要加入辅助元素的情况下改善了合金的强度和刚度。通过微观结构控制可生成超细微粒的铁素体钢。从有利于再生循环出发，双相钢（铁素体加马氏体F+M）是钢铁材料环境协调发展的方向之一。双相钢的金属成分相对简单，易于再生利用，这种F+M双相钢通过工艺控制使F和M交替去存，改善性能。目前主要应用于新型冲压用钢、Fe-Fe复合金属材料等。杂质金属是靠形成氧化物的形成去除对于钢铁材料而言，可将杂质元素分成四类：⑴几乎全部残留于钢水中的元素；有Cu、Ni、Co、Mo、W、Sn、As；⑵不能完全除去的元素；有Cr、Mn、P、S、C、H、N；⑶与沸点和蒸气压等无关的元素；有Zn、Cd、Pb、Sb；⑷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等残留元素的浓度会发生富集增高，接近极限，影响材料的性能。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（比平均碳约高0.1%）来产生二次硬化效应可降低高速钢合金含量（1%），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后（10.%～2.0%），可提高钢的二次硬化效应，并使二次硬化的峰值浓度向低浓度向移动，抗氧强度提高，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。二、围绕降低资源、能源消耗和降低排放进行的工艺技术结构调整钢铁工业中铁前原料采取精炼方针，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，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。三、发展高效率使用的金属材料从90%以上所生产的钢铁结构材料强度来看，目前生产的最高强度只有理论强度的1/6～1/7，铝合金的实际强度也只达到理论强度的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，因车重量降100kg，可达到每公里省油0.7升的效果；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。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。环境协调性设计：与环境协调的金属材料强化思路和再生理论通用合金和简单合金：合金元素种类最少、组元组成简单；可再生循环复合：通过工艺控制来自由地制造它的组织和结构、通过加入最少的元素、循环容许的元素，或通过固溶强化、微细化强化、加工强化、相变组织强化等；用单一组分代替多相组分；Fe-Fe复合残留元素控制：按四类杂质元素分别控制利用第二节、钢铁冶金清洁生产的环境协调性一、清洁生产的概念和内容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，以减少生产对人类及其环境的风险，就过程而言，它包含节约原料和能源，革除有毒原材料的使用，减少各种废物排放量和危害性，对于产品而言，则要求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。清洁生产（1）选择清洁原材料和能源。（2）选择无污染和少污染的替代产品和清洁工艺、设备。（3）强化生产技术管理和技术改造，提高物质流在生产全过程中资源、能源综合利用率。（4）减少生产排泄物，以最少量的投入获得最高的产出、最少的污染，并高效率、低费用处理和处置必排的少量污染物。高炉流程环境负荷综合值（各工序产品/t）环境负荷综合值00.20.40.60.811.21.41.61.822.2冶金白灰铁精粉冶金焦烧结矿高炉铁水转炉钢热轧材平均ELVZ08D01Z11环境负荷综合值00.10.20.30.40.50.60.70.80.911.11.2电炉普钢电炉普初轧坯电炉普轧材直接还原铁电炉特钢电炉特连铸坯热轧管成品管ELV电炉流程环境负荷综合值（吨工序产品）吨铁CO2排放比较（表中以吨铁计）02004006008001000120014001600180020002200高炉炼铁直接还原熔融还原工序直接CO2排放kg/t-铁工序（直接+间接）CO2排放kg/t-铁产品累计CO2排放kg/t-铁几种流程的吨铁CO2排放量比较030060090012001500180021002400BF-BOFDRI-EAFEAF工序直接CO2排放kg/t-钢工序（直接+间接）CO2排放kg/t-钢产品累积CO2排放kg/t-钢几种流程的吨粗钢CO2排放量比较流程吨钢CO2排放（表中以吨钢计）钢铁生产流程环境负荷评价结论高炉流程焦化和烧结过程是SO2排放的主要工序。直接还原铁环境负荷综合值只相当于高炉铁的47.7%。在考虑发电排放时，电炉钢的累积废气排放(SO2-kg当量)与高炉/转炉钢相比不具有优势，但综合值电炉钢还是低于转炉钢。Corex环境负荷综合值只相当于高炉铁40.75%。铁合金、辅助材料生产生产的环境负荷远大于钢铁生产环境负荷。产品冶金白灰铁精粉冶金焦烧结矿高炉铁水转炉钢轧坯.ELV(Ave.)0.2280.3060.9890.4061.3941.5641.653产品大型中型棒材圆钢钢筋普线高线中板短带焊管ELV(Ave.)1.7061.8121.6601.8261.6961.6411.7921.7301.778产品Corex铁DRI铁电炉普钢电炉普材电炉特钢热轧管成品管ELV(Ave.)0.5680.6650.8641.0710.710.9861.11产品金属制品锰铁硅铁铬铁硅锰石墨电极高铝砖ELV(Ave.)1.7874.8615.5683.5695.4574.8231.600钢铁生产流程环境负荷评价结论CO2/吨铁，直接还原海绵铁高炉铁熔融还原铁；CO2/吨钢，高炉/转炉流程直接还原/电炉流程电炉普钢；吨粗钢累计CO2排放量高炉/转炉流程流程高于电炉普钢流程18%；CO2排放主要在铁前工序。00.10.20.30.40.50.60.70.80.911.11.292939495969798yearindex资源枯竭影响指数生态质量影响指数人体健康影响指数总指数影响指数总体上呈现下降态势，但在95年出现波动，95年后钢铁工业对环境的影响在不断减小。环境影响指数变化趋势图钢铁工业清洁生产改进环境影响工艺措施1.原料准备2.炼铁系统(1)继续完善和改建高炉炼铁工艺(2)熔融还原炼铁3.炼钢工艺技术及连铸技术4.轧钢技术的发展熔融还原对传统钢铁生产流程的改造从铁矿石到轧材的生产周期由7天缩短为16小时，劳动生产率由800吨/年.人提高到2000吨/年.人铁矿石烧结厂焦煤焦炉高炉转炉连铸铁矿石或球团非焦煤近终型连铸精轧机输出煤气传统流程未来流程热轧机转炉精轧机第三节、环境协调的铝电解生产技术中国与世界原铝生产水平的比较020000400006000080000100000120000140000160000180000200000铝土矿开采氧化铝生产阳极生产铝电解铸锭MJ/tAl中国世界平均水平45%56%能耗和排放较大的原因：铝土矿资源品位能源利用类型存在差异电力工业结构不同我国原铝生产能耗是世界平均水平的1.5倍能耗比较一、铝电解工艺的环境改善1.铝电解槽的大型化发展(1)大型预焙槽的发展(2)低温电解研究2.铝电解烟气净化(1)烟气干法净化的应用(2)烟气干法净化的发展二、环境协调的铝电解技术新材料1.惰性阴极材料研究(1)可湿润阴极(2)硼化钛涂层阴极(3)硼化钛复合阴极2.惰性阳极材料研究(1)惰性阳极(2)金属氧化物陶瓷(3)金属基陶瓷第四节镁工业的环境特征一、镁矿的资源特点我国是镁资源大国，原镁生产和出口居世界首位，镁的资源丰富，镁矿品种齐全。菱镁矿资源居世界首位，工业储量为30亿吨以上。白云石几乎遍布全国各地，质量较好。总储量在40亿吨以上。我国沿海盐场制盐后副产卤水，每年约有410万吨；青海察尔汗盐湖提取钾盐后副产卤水，每年约有600万吨，察尔汗盐湖蕴藏着16.5亿吨氯化镁卤水。我国还有丰富的蛇纹石、石棉矿，每采取1吨石棉矿，要抛弃99吨含镁尾矿，全国每年抛弃的含镁尾矿有1000万吨。二、镁冶金的环境负荷图2005年各工艺过程特征化结果比较方案1方案2方案300.511.522.533.5单指标评价结果/E-10yrHTPPOCPAPGWPADP下降9.3%下降29.5%回转窑、卧式还原炉以及精炼炉的燃煤为原煤回转窑喷煤粉煅烧白云石，蓄热式还原炉和精炼炉采用发生炉煤气作为燃料焦化厂副产的焦炉煤气作为镁冶炼的主要能源，并与部分煤粉混用皮江法炼镁三种能源利用方案的单指标评价结果三、镁制品的环境效能1.镁制品的应用镁的质量轻，比重为1.74，比铝轻1/3，比强度高，机械性能好，广泛用于航空、汽车、造船等工业。10万英里运行测量结果，汽车每用1磅镁，可节油5.5加仑；每用1磅铝，可节油3.2加仑。奔驰、奥迪、通用、福特、丰田等都大力推进汽车用镁的发展，以减轻车重、降低燃料消耗和废气的排放。汽车用镁的主要形式是铝合金和镁压铸件，每辆车用镁量达10～12kg，德国每辆大众汽车用镁量达19kg。0.000.200.400.600.801.001.20ADPGWPAPPOCPHTP原生镁合金再生镁合金原生镁合金与再生镁合金的环境负荷比较第五节冶金工业废渣的综合利用一、钢渣1.钢渣的组成2.用作冶金原料（1）作烧结熔剂（2）作高炉或化铁炉熔剂（3）钢渣作炼钢返回渣（4）从钢渣中回收废钢铁3．用于建筑材料（1）生产水泥(2)碎石和细骨料4．钢渣用于农业二、赤泥1.赤泥堆存的现状2.赤泥的综合利用(1)利用赤泥生产水泥(2)利用赤泥作新型墙材(3)赤泥作塑料填料(4)赤泥用作硅肥(5)从赤泥中提取有价金属(6)赤泥作填充料一、废钢１．钢铁工业的发展２．废钢利用的意义高炉已实现喷吹废塑达44Kg/t铁的处理水平，每喷出一吨废塑料，相当于喷出一吨燃油的热值。３．电炉炼钢的兴起美国，工业化时间长，社会废钢积蓄量充足，电炉钢比例较高，达40％～50％。对于发展中国家而言，因社会废钢积蓄尚少，我国电炉钢所占比例小于15％。第六节再生金属资源利用二、二次铝生产一吨原生铝的能耗为21.6×108kJ，是一吨钢能耗（4.8×108kJ）的4.5倍。除废水排放量较小外，其他污染物的排放量均大大超过钢材。如生产一吨原生铝排放的CO2数量是一吨钢的7～9倍。0.00%20.00%40.00%60.00%80.00%100.00%120.00%原油原煤天然气总能耗再生铝原铝再生铝与原铝生产能源消耗比较0.00%20.00%40.00%60.00%80.00%100.00%120