第五节 金属材料的循环再生

第五节金属材料的循环再生

一、金属材料的循环再生性

（一）物质的不变性，可提取性

金属材料由金属原子构成，即使加热、熔融、变形，金属也是呈非原子态，质量也不会改变。金属和有机物不同，与其他元素反应生成化合物，其原子本质并没有变化，所以地球上金属原子总量并没有变化，只是存在的形式发生变化。如果不考虑经济性，采用适当手段和必要的能源，从原理来说金属原子是可以再提取的，所以说原生金属的理化特性也就是废金属的理化特性，即废金属具有可重熔性。

（二）金属性质的可变性

金属材料在实际应用中经过各种制造过程，如熔融、凝固、热过理、合金化、复合化等过程。不仅是变形加工，还有提高金属性能的加工。对循环再生性来说，各种加工可分成两类。

1．加工过程不损害循环再生性，如熔融、凝固、热处理。

2．加工过程损害循环再生性，如合金化、复合化等。目前还没有一种有效的精制方法能够除去所有杂质元素，例如铁中的Cu、Sn、Ni、Mo、Co、W、As于循环再生后100％残留，很多金属材料科再生后由于纯度下降而失去应用价值。

从本质上说，金属是优秀的可循环再生材料，但是制造方法不同又能损害其循环再生性。近代金属材料的技术进步几乎可以说别是合金化的技术进步，所以研究合金可再生循环的材料体系成为热点。

（三）金属的结合能

金属在矿石中呈氧化物、硫化物等形式存在。分离提取后的金属其结合能低，即金属再熔融能与金属提取能比较特别低，因此可以说金属一旦被提取后可以反复再循环、再熔融再生，从这个意义上讲，再次利用的金属被称为“载能资源”，同时这个特点无疑有利于回收再利用。

（四）金属的重塑性

废金属的物理机械特性与金属基本相同或相近，具有可重塑性，可以进行物

理形态的变化重现使用价值，废金属可以通过维修、改制、轧制等扩大利用途径。

二、金属再生资源

（一）金属再生资源的特点

资源角度分析，金属再生资源有以下特点。

1. 资源的分散性和不平衡性在现代社会中，金属的应用和消费范围极广，因而使废金属资源极为分散。受经济水平的影响，金属再生资源区域分布不平衡。行业、企业性质决定其金属再生资源分布也不平衡，例如冶金、机械行业资源量较多，而其他行业较少。

2. 资源再生的永续性废金属与原金属比较，没有质的变化，具有可重熔性和可重塑性，所以从理论上说废金属可以无限次循环，这是其他资源不可比拟的，金属再生资源的永续性使它成为解决金属矿产资源的有限性和人类对金属的无限需求这一矛盾的根本途径。

3. 资源的综合效益性与其他再生资源相比，金属再生资源的生产量之巨大，对减轻环境污染程度资源的节省，建设资金投入的降低，经济效益的提高都具有明显的优势。鉴于此，美国环保署(EPA)已规定将废金属从“固体废弃物”分类中除去。

用废钢铁炼钢可省去炼铁过程，经济效益是明显的，例如，形成1000万吨铁生产能力，需要投资40亿元，炼焦和动力煤2000万吨，需要建1000m3高炉10座，65孔焦炉14座，矿车600辆，基建时间5年，占用大量土地，建设环保设施等。一吨废钢冶金价值相当于一吨生铁，可节约材料90％，减轻空气污染染86％，减少水污染76%，减少采选和冶炼废弃物97％，减少能耗75％，节约压缩空气86％，节约工业用水40％。

4. 资源构成复杂性各种废金属物理形态差异巨大，因为废金属来源于不同的生产部门和各类社会生活的消费群，形状各异，厚薄不均，大小木等，这些都给资源回收、储运、分选、拆卸和加工利用带来复杂性。

（二）我国金属再生资源来源和现状

1．钢铁再生资源

材料中钢铁一直是数量巨大、循环周期最快的品种，在整个再生资源领域中废钢铁是一个大类，在金属再生资源中占95％。GB/T 4223—1966对废钢铁定义为：“已报废的钢铁产品（含半成品）以及机械、设备、器械、结构件、构筑物及生活用品等钢铁部分”。我国废钢铁主要来源如下。

①冶金行业来源钢坯在加热的氧化和钢材轧制过程中产生大量的坯、材头和氧化铁皮。1998年这部分再生资源约有1130万吨，设备维修、技术改造等非生产过程中产生的再生资源约370万吨。冶金行业产生的钢铁再生资源约占总钢铁再生资源量的45％，自产废钢一般在企业内部回收处理，质地比较纯净，几何形状单一，便于采用固定的加工方法。

②社会来源主要来自生产资料和生活资料，机械行业约占可回收利用的16％，其他有船舶、车辆、设备、设施和生活日用品等。社会废钢构成复杂，材质离散，几何形状差异大，小部分改制、修复再使用，大部分重新熔化再生。

③进口为弥补钢铁再生资源不足，每年需要大量进口，1998年我国进口201.9万吨。

2．有色金属再生资源

我国再生有色金属产量超过100万吨，有色金属再生资源主要来源如下。

①有色金属冶炼过程产生的废品、废料，是有色金属再生资源第一来源，大

部分返回冶炼厂再利用；

②有色金属及其合金在加工过程中产生的废品、废料，加工成材的有色金属利用率只有60％~70％，其余都成为废品和废料，包括碎屑、进料、溅料、鳞皮、废催化剂、电缆的端料等；

③报废的装置、仪器仪表，如车床、车辆、飞机、军事装置、废蓄电池等；

④日常生活用品的废弃物，如牙膏皮、饮料罐、包装铝箔。

我国1995~1997年有色金属平均回收利用率中，铜的回收利用率最高，达到63.6％，铅40％，铝15％，10种有色金属合计30％。在这里，回收利用率=（冶炼回收量+直接利用量）÷年消费量。

（三）金属再生资源的利用途径及技术

1．钢铁再生资源重熔再生

废钢重熔再生是再生资源利用的最主要途径。对高炉-转炉炼钢工艺，我国废钢比约为30％，发达国家废钢铁比达到50％左右。

①非金属元素（H、O、N、P、S）

主要来源于铁锈、水分、沥青、焦油及混入的高磷、硫钢铁废料。

②有色金属元素

合金和镀层的复杂多样化及各种有色金属废料的混入，而又未能充分分离，这些都造成废钢有害有色金属的存在。冶炼中全部残存在钢料的元素有Cu、Ni、Sn、Mo、Co、W、As，这些元素在钢铁反复利用中浓度不断提高对热加工带来不利影响。

2. 废有色金属的回收利用

废有色金属的再生利用的主要途径是回炉重熔。

①废铜的回收利用

我国是缺铜国家，所以废铜的回收利用具有非常重要意义，也具有良好的经济效益。

②废铝的回收利用

废铝的回收利用的意义是节能显著，再生铝的能耗是生产原铝能耗的3％，经济效益高，我国再生铝与生产原铝相比，可节约投资87 5％，降低生产费用40％～50％；可避免原铝生产的严重“三废”污染；容易回收利用；熔炼时回收率高，每循环一次损耗3.5％～8.5％。铝的可再生性使它成为有希望的生态型材料。

③废铅的回收利用

再生铅占全世界年产铅量的一半。废铅的主要来源是废铅储电池及工厂废料，其中废铅蓄电池占70％。

④其他有色金属的回收利用

废有色金属来源及成分复杂，回收技术含量高，但由于资源的有限性及回收产品附加价值高而越来越受到重视。尤其是使用量大、稀有金属、贵重金属成为回收利用的重点。例如催化剂，汽车尾气排气转化催化剂含铂、铑、钯，聚酯生产催化剂含钻、锑、锰，石油精炼催化剂含镍、铂、钴，石油化学中脱氢、加氢、氧化及各种单元反应中使用稀土、贵重、稀有元素催化剂。催化剂回收再资源化取决于催化剂成分、载体种类及其成分、粘接剂成分和形状附着物等因素，常使用干法、湿法、干一湿法和非分离法。废电池含银、锂、镍、钴等，各种电池主要构成的金属成分见表6—15。